得益于低轨卫星高度低、速度快、造价成本低等特点,低轨增强GNSS定位导航授时拥有信号强度强、收敛时间短、多路径效应白噪化等一系列优势,在近年获得了越来越多的关注。为利用低轨导航信号实现地面的高精度低轨增强精密单点定位及授时,低轨卫星的精密轨道与星钟须实时提供给用户。
在GNSS实时产品的传递中,往往使用低频广播星钟星历(1小时至数小时)提供精度较低的轨道与星钟产品,然后利用英特网或星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System, SBAS)传输给用户基于广播星钟星历的高频改正数,从而在用户端合成为高精度星钟星历产品。对于低轨卫星而言,由于其离地面更近,轨道受复杂大气阻力影响,星钟受各种复杂系统性现象影响,广播星钟星历的长周期预报将产生较大误差,因此低频广播星钟星历不再适用,可采取直接通过卫星信号播发较高频率的星钟星历的方法满足用户需求,也省去了额外的高频改正数播发这一环。
在GNSS广播星历中,星历数据期号(Issue Of Data Ephemeris, IODE)与星钟数据期号(Issue Of Data Clock, IODC)用于区分不同组更新的的星历与星钟参数,并保证其在相当一段时间内对于同颗卫星不重复出现,从而在该段时间内确保其唯一性。GPS IODE取值范围为0至255,通过8比特进行描述, IODC另含高2比特, 取值范围为0至1023;Galileo IODnav取值范围为0至1023,通过10比特进行描述;在北斗信号(B1C、B2a)导航电文中,使用8比特IODE与10比特IODC在作为星历与星钟参数更新标识的同时,反映本组参数的数据龄期(Age Of Data, AOD),即星历或星钟参数参考时刻到计算所需的最后测量时刻之差,从而推算该组星历或星钟参数的外推时间,并作为判断其精度的依据。
对于低轨卫星而言,情况发生了变化。首先,由于轨道与星钟的快速变化及建模复杂性,为得到较高精度的广播星钟星历,需保证其高频更新,尤其对于星钟参数,其更新速度更将快于星历参数。这导致了两个问题,1)轨道与星钟参数更新频率不同,不再像GNSS广播星钟星历一样同组出现,需针对其不同的更新频率进行期号设计;2)对于高频更新的低轨卫星星钟IODC与星历IODE,为保证其各自在一段时间内针对同卫星不重复出现,需要在限制使用比特数的情况下尽量扩大其取值范围;3)在延长其不重复出现时长的情况下,也需反映数据龄期。基于此,需针对低轨卫星广播星钟星历的特定更新周期,对IODE与IODC进行新型设计,使其适应新变化,在顾及其高频电文播发的情况下方便用户使用。
GNSS的广播星钟星历为低频更新的非精密星钟星历,且更新周期相同。IODE与IODC作为区分不同组星历与星钟参数的期号标识,通常通过8比特或10比特数值完成对星钟和星历参数在较长时间的唯一性保障,使其期号不重复出现。北斗(B1C、B2a)通过IODE与IODC的值域反映其数据龄期,如IODE在0~59时,表示数据龄期小于12小时。现有技术方案无法适应低轨卫星高频广播星钟星历的需求。以星历数据为例,假设更新时间为10分钟,8比特数据可保证其在42小时内不重复,但无法再继续对数据龄期进行区分,由于更新频繁,在上述情况下 0~59中以及60~119中的IODE很可能表示不同星历基准时间toe但龄期相同的星历。
本发明要解决的技术问题是:针对低轨卫星广播电文需要高频播发的特点,改进当前GNSS对IODE以及IODC的设计方法,使其在尽量不扩充所使用比特数的情况下,表达星历星钟基准时间及数据龄期两个维度的信息。