以完全可互换方式将卫星导航消息发送到被编码为在接收器处可最佳检索的多个页面中

技术领域

本发明涉及一种用于优化卫星导航消息传输的方法和系统，更具体地涉及从多个卫星到至少一个用户接收器的数字消息的优化编码、传输和解码。

背景技术

诸如GPS、格洛纳斯(GLONASS)或伽利略(Galileo)之类的卫星导航系统通常会发送数百比特的消息，该消息带有发射卫星的轨道和时钟偏移，因此用户接收器可计算其位置。卫星导航系统可能还需要发送更长的消息，该消息可能超过1千比特，例如历书、数字签名、精确点定位卫星数据或精确电离层信息。导航卫星所允许的比特率通常较低，因此长消息的传输要求用户接收器在几秒钟甚至几分钟内无误码地接收卫星信号。在接收和能见度条件下降的情况下，例如在城市峡谷中或在树冠下，这是不可能的。考虑到用户接收器，城市中的高层建筑往往会限制卫星的数量，术语“城市峡谷”是指由于这类高层建筑而导致的信号不足，这导致数据接收受损。

但是，为了改善由于城市峡谷和在树冠下而导致的衰落信道中的数据接收，现代卫星导航消息通常通过各种类型的卷积码和分组码进行编码。

参考文献“准天顶卫星系统接口规范厘米级增强服务(IS-QZSS-L6-001)草案版，2017年”描述了每秒2000比特的高精度消息的传输。这种消息包括49比特的标题，1695比特的数据部分和里德-所罗门(RS)码，提供256比特的冗余以独立纠正每个消息中的错误。

来自欧洲委员会的参考文献“空间接口控制文件中的欧洲GNSS(Galileo)开放服务信号(OS SIS ICD V1.3)”提出了速率为1/2，长度为7的前向纠错卷积编码，其适用于每一个Galileo两秒钟的页面。通过该编码层，即使接收到其中带有错误的消息，也可对给定的两秒钟消息的Galileo数据进行解调。该参考文献还提出了发送较长的星座内消息(即历书消息)，该消息拆分为多个较短的块，其中Galileo I/NAV子帧的字类型7、8、9和10发送了总星座中3个卫星的历书。

尽管这种方法相对容易实现，但是它有一些缺点，主要的缺点是缺少一个块的接收会危及完整消息的接收。

WO-A-2017/216058涉及一种发送包括外部里德-所罗门(RS)的导航消息、对时钟和星历数据进行编码(CED)的方法，该方法还涉及循环冗余校验(CRC)的使用。在该参考文献中，将单个RS码应用于低奇偶性的数百比特的CED消息。因此，尽管该方法对于来自单个卫星的短消息有用，但是并未针对从具有高奇偶性/数据比的多个卫星发送的长消息进行优化。

Fernandez-Hernandez，I.等人于2017年在ENC上发表的文章“通过导航卫星的包传输：使用蒙特卡罗模拟的初步分析”提出使得来自不同卫星的同一卫星导航消息的页面的传输偏移。然而，页面偏移不允许最佳地恢复卫星导航消息。

Fernandez-Hernandez，I.等人发表的文章“GNSS的喷泉码”，即第30届导航研究所卫星划分国际技术会议论文集(ION GNSS+2017)第1496至1507页，描述了喷泉码的使用，以使用GNSS信号以快速、稳健的方式传播大消息。这样的消息被划分为K个包，每个包用具有K行和潜在地无限数量的列的随机二进制矩阵G’的元素编码。在接收到N个包(在所有情况下N>K)之后，接收器用与接收到的包相对应的G’的列构建矩阵G’，以重构原始消息。

WO-A-2012/174933公开了一种RS编码器的编码方法，其中，将输入数据划分为预定数量的并行数据信道，并通过在预定数量的数据信道上同时执行多码字并行性来进行编码。在编码后，确定输入控制信号启用状态，如果启用，则使用零填充操作将编码数据插入到预编码数据流的指定位置。在并行的预定数量的数据信道的串行处理之后，对数据执行去零处理。

US-A-2016/0056920涉及一种用于网络编码的方法，该方法包括对多个消息包进行编码以产生多个编码包，该多个编码包包括例如消息包和一个或多个奇偶校验包。每个消息包和每个编码包包括具有索引的多个符号，通过将里德-所罗门码应用于具有与编码包的符号相同的索引的消息包的符号来生成编码包的每个符号。编码包的长度与消息包的长度相同。还公开了一种无线通信装置，该无线通信装置包括：网络编码器，用于对多个消息包进行编码以产生多个编码包；以及物理层，用于经由无线天线发送编码包。

因此，在文献中没有找到如下方法，该方法允许以完全可互换方式并以用户接收器可负担的解码成本从多个来源最佳地检索由多个页面组成的卫星导航消息。

发明内容

因此，本发明的目的是一种方法，该方法能够以完全可互换方式最佳地检索从多个来源接收的包括多个页面的编码卫星导航消息。

本发明的另一目的是提供一种卫星导航系统，该卫星导航系统实现了最佳地检索包括多个页面的编码卫星导航消息的方法。

根据本发明的一方面，提供了一种生成多个页面形式的编码卫星导航消息以经由多个卫星发送到至少一个用户接收器的方法，该方法包括以下步骤：

a)在地面站将卫星导航消息M划分为k个页面；

b)在地面站将每个页面划分为j个符号，将卫星导航消息M划分为k×j个符号；

c)对于每个符号位置，在地面站通过对总共j个分组码分别编码页面的符号的每一列来对k个页面的符号进行编码，其中n个页面中的每一个包括来自j个并行码的符号；

d)在地面站生成n个页面的编码卫星导航消息M’；

e)在地面站将编码卫星导航消息的n个页面中的至少一个子集分配给多个卫星中的每一个；

f)由地面站将所分配的页面发送到多个卫星中相应的卫星；和

g)由多个卫星将所分配的页面发送到至少一个用户接收器。

以这种方式，可实现以多个页面的形式生成编码卫星导航消息，当编码卫星导航消息由多个卫星发送到用户接收器时，编码卫星导航消息可以以完全可互换方式并以用户接收器可负担的解码成本进行解码。

在实施方式中，步骤c)还可包括使用分组编码方案，分组编码方案允许n个页面中的任何k个符号用于检索原始卫星导航消息。

在实施方式中，分组码包括里德-所罗门码。

在实施方式中，步骤d)还可包括将循环冗余校验附加到每个页面以模拟二进制擦除信道。

这确保了在用户接收器处的页面接收被视为在二进制擦除信道中。

根据本发明的另一方面，提供了一种在至少一个用户接收器处对编码卫星导航消息进行解码的方法，该编码卫星导航消息是如上所述生成的，该方法包括以下步骤：

i)在至少一个用户接收器处接收由至少一个用户接收器的视场内的多个卫星发送的页面；和

ii)在至少一个用户接收器处，通过对总共j个分组码分别解码每一列，来对来自从多个卫星接收的页面的编码卫星导航消息递归地应用解码处理，从而对来自从多个卫星接收的页面的编码卫星导航消息进行解码。

这使得能够以完全可互换方式对编码卫星导航消息进行解码。

在实施方式中，分组码包括里德-所罗门码。

在实施方式中，步骤i)还可包括从多个卫星中的不同卫星接收不同的页面。

这样做的优点是，与从同一卫星接收所有页面相比，可更快地接收消息。

在实施方式中，步骤i)还可包括随着时间的推移顺序地接收页面。

根据本发明的又一方面，提供了一种用户接收器，该用户接收器被配置为对从其视场中的多个卫星以不同页面发送的编码卫星导航消息进行解码，编码卫星导航消息是根据如上所述的方法生成和发送的，每个用户接收器被配置为：

接收由其视场内的多个卫星发送的页面；和

通过对总共j个分组码分别解码每一列，来对来自从多个卫星接收的页面的编码卫星导航消息递归地应用解码处理，从而对来自从多个卫星接收的页面的编码卫星导航消息进行解码。

用户接收器的这种配置提供了以完全可互换方式并以用户接收器可负担的解码成本对编码卫星导航消息的最佳检索。

在实施方式中，分组码包括里德-所罗门码。

根据本发明的又一方面，提供了一种卫星导航系统，该卫星导航系统用于生成、发送和解码多个页面形式的编码卫星导航消息，该系统包括：

多个卫星；

地面站，地面站被配置为生成多个页面形式的编码卫星导航消息，以发送到多个卫星，该编码卫星导航消息是通过以下方式生成的：

将卫星导航消息M划分为k个页面；

将每个页面划分为j个符号，将卫星导航消息M划分为k×j个符号；

对于每个符号位置，通过对总共j个里德-所罗门码分别解码页面的符号的每一列来对k个页面的符号进行编码；

生成n个页面的编码卫星导航消息M’，其中n个页面中的每一个包括来自j个并行码的符号；

将编码卫星导航消息的n个页面中的至少一个子集分配给多个卫星中的每一个；和

将所分配的页面发送到多个卫星中相应的卫星；和

至少一个如上所述的用户接收器。

这样的系统使得能够发送具有高奇偶性/数据比的卫星导航消息或数据。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将通过示例的方式参考附图，其中：-

图1示出了传统卫星导航消息传输方案，其中给定卫星导航消息划分为块(称为“消息拆分”)；

图2示出了基于页面偏移的传统卫星导航消息传输方案，其中每个卫星以不同的偏移量发送相同的卫星导航消息；

图3示出了一种传输方法，其中页面中给定位置的所有符号都以单独的代码来编码；

图4示出了衰落信道中的接收过程，其中，将4页面的卫星导航消息编码为12个页面并由3个卫星发送，且用户接收器仅通过接收4个页面来重新组成卫星导航消息；

图5示出了本发明的里德-所罗门实现；

图6示出了本发明的方法的解码成本和传统方法的解码成本之间的比较；

图7a、图7b和图7c分别示出了本发明的方法的接收时间(由黑色的星号“*”表示)和针对“开放天空”场景、“软城市”场景和“硬城市”场景的标准方法的接收时间(由灰色的十字“+”表示)之间的比较；和

图8示出了用于基于发射卫星的卫星ID和时间来定义卫星导航消息的页面ID的方案，卫星ID和时间这两者都是用户接收器事先已知的。

具体实施方式

将针对具体实施方式并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明目的，一些元件的尺寸可能被放大并且未按比例绘制。

应注意，本发明旨在解决与卫星导航领域有关的特定问题，而这些问题在卫星通信领域可能不会发生。具体地，根据本发明编码的卫星导航数据通常比纯卫星通信信号更难以接收。通常，以更高的功率接收卫星通信信号(其中以约-155dBW(即低于热噪声水平)接收卫星导航信号)。由此，卫星导航信号的典型数据速率约为100bps(对于GPS L1 C/A，为50bps)，这低于卫星通信系统中使用的常规数据速率。另外，卫星通信消息通常是从单一来源发送的，并且卫星导航信号和数据必须以所述低功率提供给所有环境(包括空中、海上和陆地，而陆地包括树冠和城市峡谷)的静态和动态用户。

通过在卫星导航系统中低的数据接收速率，本发明解决了发送例如约为数千个或数万个比特的长消息的问题，这些信号需要在退化的环境中通过没有任何开销的、非常高的数据冗余和低的解码复杂度来接收，这是目前最新技术的方法无法实现的。就解决本发明的问题所需要的内容而言，RS(或类似)标准代码实现提供了非常低的奇偶性。通常，对于很长的消息，本发明要求奇偶性/数据比在1/10和1/6之间。尽管这可通过具有更长符号(例如16位)的RS(或类似)代码来实现，但是这些实现方式不是标准的，在用户接收器处更难以解码。具体地，根据需要，本发明的方法被应用于具有高奇偶性/数据比的长消息，以解决特定的卫星导航问题，即发送在退化的环境中信号弱(即潜在具有非常高的错误率)的长消息。

而且，与现有技术的根本区别在于，本发明的方法在“符号间”级别，即对于多个符号(而不是在“符号内”级别，即在比特级别)，利用并行处理。通过以完整符号级别起作用，可使所需的多个代码并行化。本发明的方法利用54即(448-16)/8个向量的并行化，这在现有技术中已知的方法中是不可行的。

通过利用符号间并行化，可获得对卫星导航消息或信号进行解码的更灵活的方法。

此外，与卫星通信系统相比，卫星导航系统需要以很高的冗余率发送消息以解决高错误率并从多于一个来源或卫星发送这些消息。

如本文所使用的术语“开放天空”是指这样的环境，其中以每个卫星具有0.5％的页面错误率来接收来自四个发射卫星的信号。

如本文所使用的术语“软城市”是指这样的环境，其中以四个卫星分别具有0.5％，1％，10％和20％的页面错误率接收来自四个发射卫星的信号。

如本文所使用的术语“硬城市”是指这样的环境，其中以两个卫星分别具有10％和20％的页面错误率接收来自两个发射卫星的信号。

术语“衰落信道”是指经历信号衰减的变化且具有多个变量(例如时间、地理位置和射频)的通信。

术语“C/NAV”是指Galileo卫星在频率E6上广播的商业导航消息。

术语“I/NAV”是指Galileo卫星在频率E1和E5上广播的完整导航消息。

术语“奇偶性/数据比”是指编码消息中的奇偶校验比特的数量与信息比特的数量之比。

术语“分组码”或“分组编码方案”是指可实现并行化的代码或编码方案。参考里德-所罗门码描述了本发明，但是本发明不限于此。例如，还可实现Bose-Chaudhuri-Hocquengem(BCH)编码方案。

术语“二进制擦除信道”或“BEC”是指一种通用的通信信道模型，其中，发射器发送一个比特(“0”或“1”)，而接收器要么接收该比特，要么接收到该比特没有被接收或“擦除”的消息。实际上，比特包由发射器发送，而接收器要么接收该包，要么将该包擦除。在本方法中，如果CRC失败，则检查C/NAV页面CRC并丢弃该页面。

图1示出了文章“空间接口控制文件中的欧洲GNSS(Galileo)开放服务信号(OSSIS ICD V1.3)”中提出的方法。在图1中，示出了包括用户接收器12和三个卫星14，16，18的卫星导航系统10。如图所示，每个卫星14，16，18以两个四页的块向用户接收器12发送卫星导航消息。这称为消息拆分。来自卫星14、16和18中相应的卫星的两个四页的块分别表示为14a和14b，16a和16b以及18a和18b。在这里，分组数据被互换地编码，以便任何页面都可参与其中；然而，由于信道损伤，导致用户接收器12仅接收以灰色示出的块。在该示例中，用户接收器12不能从卫星14，16，18中的任何一个接收全部块14a，14b，16a，16b，18a和18b，因此不能对卫星导航消息进行解码。如果页面如下所述是完全可互换的，则可解码卫星导航消息，如下面将更详细描述的。

如上所述，页面偏移不允许卫星导航消息的最佳恢复。图2示出了卫星导航系统20，卫星导航系统20类似于图1的系统10并包括用户接收器22和三个卫星24，26，28。然而，在这种情况下，每个卫星24，26，28分别以0，1，2的页面偏移发送4页面卫星导航消息。在该示例中，用户接收器仅从每个卫星接收一半的页面(以灰色显示)，因此不能接收完整卫星导航信息。如上参考图1所述，如果所有页面都是可互换的，则可在2秒内接收到卫星导航消息。

然而，仅页面偏移不会允许接收，因为如果可能的话，用户接收器应等待卫星导航消息的重新广播及其相关的延迟。该系统无法控制每个用户接收器可看到哪些卫星，且总会有用户接收页面的组合，这不允许成功解码或解调卫星导航消息。

本发明所解决的问题可用数学的方式定义如下：假设有一个由k个页面(M

卫星导航消息M被编码为n个页面(C

本发明的方法基于以下步骤并在符号间级别使用并行处理，因此没有限制：

·将卫星导航消息M划分为k个页面(M

·将每个页面划分为j个符号，以便将完整卫星导航消息M划分为k×j个符号(w

·对于每个符号位置c＝1，……，j，使用具有以下属性的分组编码方案将k个页面的符号(w

·生成n个页面的完整编码卫星导航消息M’(w’

·在每个页面上附加CRC或类似的校验，以便将页面接收视为在二进制擦除通道中

·将M’的n个页面或其子集分配给不同的卫星，并通过卫星发送卫星导航消息，以便每个卫星发送不同的页面

·在用户接收器一侧，当从任何可见卫星成功接收到M’的k个页面时，通过递归地应用解码过程j次来解码卫星导航消息M

编码和消息-卫星分配过程如图3所示，其中n个页面(C

衰落信道中的接收过程如图4所示，其中一个4页的卫星导航消息被编码为12个页面并由3个卫星发送，接收器通过仅接收4个页面就重新组成卫星导航消息。在图4中，示出了卫星导航系统100，卫星导航系统100包括用户接收器110和三个卫星120，130，140。每个卫星120，130，140将4个页面发送到用户接收器110。然而，由于衰落信道，导致用户接收器110接收仅以灰色指示的页面，这些页面用于解码和重新组成原始4页的卫星导航消息。

里德-所罗门码具有允许恢复具有n个发射符号中任意k个符号的卫星导航消息的属性。因此，本发明的一个实施方式基于里德-所罗门编码。为了实现多个卫星的页面完全可互换性，n必须比k大得多，也就是说，卫星导航消息必须使用大量奇偶校验数据进行编码，因此不同的卫星不会发送相同的页面。Westall等人在“伽罗瓦域和里德-所罗门编码的简介”(克莱姆森大学计算机学院，SC(2010)：29634-1906)中对此进行了描述。

基于当前对以448bps在Galileo E6B信号中传输的精确点定位(PPP)消息的最大消息大小的估计，可假定：

·最大卫星导航消息长度(k

·根据Galileo星座功能，最多20个发射卫星，这将要求奇偶性/数据比为20/1。

然而，为了减少20/1的奇偶性/数据比的数量，可假定同一用户接收器无法观察到在轨道的相对时隙中的卫星。这已经将冗余减少了一半(从20减少到10)。其他假设是，卫星可在天空中均匀分布，并且在干净的天空下，地球上的接收器最多可看到20颗Galileo连接的卫星中的1/3。在这种情况下，对于7560字节的总(数据+奇偶性)，RS消息可具有6/1奇偶性/数据比。然而，大多数标准RS编码方法都是基于GF(2

图5中提供了一些示例，这些示例具有不同的消息长度，可长达20页。在第一个示例中，以1/5的码率发送20页消息，即考虑到用户接收器，其保证多达5个卫星的页面可互换性。用20个数据符号和80个奇偶校验符号对100个8比特符号消息进行编码，这样非常适合许多RS码，例如Cheung等人在“Galileo图像压缩系统的端到端系统考虑”(国际地球科学与遥感研讨会，第2卷，电气与电子工程师协会，INC(IEE)，1996年)中描述的RS(255,161,8)。多余的信息符号将用零填充(例如，在20页的示例中，在161个数据符号中，仅使用了20个数据符号，而141个数据符号将用零填充)，如B.E Schotsch在2017年发表的“Galileo E1 I/NAV消息中CED的外部里德-所罗门编码规范”中所描述的。

在第二个示例中，以1/6的码率发送16页的卫星导航消息。用16个数据符号和80个奇偶校验符号对96个8比特符号消息进行编码，多余的信息符号用零填充。在第三个示例中，以1/8的码率发送10页的卫星导航消息。用10个数据符号和70个奇偶校验符号对80个8比特符号消息进行编码，多余的信息符号用零填充。

在冗余较小的第四个示例中，如上面提到的Schotsch的文章中所提议的，以可提供60个符号的奇偶校验的I/NAV RS码，RS(255,195,8)和1/4码率发送18页的卫星导航消息。

与单个代码中的标准RS编码相比，本发明的方法的优点之一是明显降低了解码成本。重复j次解码过程相对于单个解码器迭代会线性地增加解码成本，但是由于卫星导航消息要短得多，因此解码成本呈指数下降。解码成本估计为对k×k矩阵求逆的成本和求解线性k×k系统的成本。矩阵求逆成本通常估计为O(k

与标准方法的比较如图6所示。该比较基于432比特的数据页面长度和k＝20和k＝4的消息大小。选择了以下三种实现方式：

·整个卫星导航消息的单个RS码。对于短消息，m＝8(n＝216<2

·基于将卫星导航消息拆分为5个4页面的块的实现方式，其中每个块分别进行编码。这被称为“标准2”。

·本发明的方法被称为“MRSC”(多个RS编码)。

在图6中，m表示符号大小(GF大小为2

本发明的方法的另一优点是在衰落条件下改善了接收能力。在图7a至图7c中示出了与五个4页的块中的等效的传统方法相比，通过MRSC接收20页的卫星导航消息。图7a至图7c中的每一个都是使用以5000个实例运行的蒙特卡洛模拟来建模，测量了每种情况下解码卫星导航消息的时间。

图7a示出了用黑色的“*”指示的本发明的方法中的接收时间和用灰色的“+”指示的4页/5块方法的接收时间之间的比较，考虑到用户接收器，其针对带有四个卫星的“开放天空”情况。在传统方法中，优化块序列以使卫星发射用户接收器的互补块序列。四个卫星中的每一个的页面错误率均为0.5％。

图7b类似于图7a，但是考虑到用户接收器，其针对带有四个卫星的“软城市”情况。各个卫星的页面错误率分别为1％，5％，10％和20％。

图7c类似于图7a和7b，但是考虑到用户接收器，其针对仅带有两个卫星的“硬城市”情况。各个卫星的页面错误率分别为10％和20％。

如图7a至图7c所示，本发明的方法显著改善了消息接收的鲁棒性，并且卫星导航消息的接收要快得多。

本发明的方法的特定实现方式可基于包括标题的每个页面，该标题具有消息ID字段、消息长度字段和Page ID字段。

可减小标题大小的另一特定实现方式，可基于为给定数量的卫星和时间定义卫星/时间矩阵，以便可从矩阵中定义Page ID字段，而不是占用标题中的空间，从而允许具有较长的编码卫星导航消息。这在图8中示出。

图8示出了如何仅通过识别卫星标识(n)和时间(在1和T之间)而不必发送该标题中的信息来识别最多由(n+1)×T个页面组成的消息的页面。

另一特定实现方式可包括页面标题，其中在标题中定义了对卫星导航消息进行编码的编码方案，从而允许多种方案。

另一特定实现方式包括基于对3个消息中的消息子类型进行分组来对高精度消息进行编码：一种消息用于卫星遮蔽、轨道校正、偏差和用户测距精度(URA)；一个消息用于电离层校正；一个消息用于卫星时钟校正，该消息由1至3个页面组成，具体取决于卫星遮蔽中的卫星数量。

另一实现方式包括不同于RS的其他分组码，或不同于8比特的其他符号长度(例如16比特或32比特，因为这两者都可用于RS)。

在另一实现方式中，编码卫星导航消息不是高精度消息，而是由GNSS星座发送的另一种普通卫星导航消息，例如数字签名或历书。

另一实现方式允许来自不同卫星的多个不同卫星导航消息在时间上交织。这意味着系统可在给定时间间隔内发送多个消息，而不是在该给定的时间间隔内发送一条消息，并且特定消息的标题使用特定消息ID标识该消息。