一种基于6G空中基站结合北斗卫星定位的优化方法

技术领域

本发明属于卫星定位技术领域，具体涉及一种基于6G空中基站结合北斗卫星定位的优化方法。

背景技术

在高速泛在、天地一体方面，随着中国电信研发了“天通一号”卫星移动通信系统，首次提出并构建“天地融合、通导一体、星地协同、宽窄互补”的立体网络，获评世界互联网领先科技成果。中国电信全面落实“宽带中国”战略，率先开展千兆网络建设，建成全球最大的宽带互联网ChinaNet和CN2-DCI精品承载网，通达全球70个国家；建成全球规模最大的ROADM全光网络、国内规模最大的千兆光纤网络和政企OTN精品专网；深化5G网络共建共享，建成全球首个规模最大的5G SA商用网络。2022新一代北斗将为全球用户提供更精准、更可靠的服务,并通过星间链路实现星-星组网、互联互通。同年中国电信“天通一号”全球首个规模最大的5G SA商用网络也为中国电信空中基站卫星精确定位提供了助力。

6G网络通信环境中，传统的地球同步轨道Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星虽然可以很好地向本地服务器广播公共和流行内容(如媒体内容、安全消息、联网汽车软件更新导),但无法满足时延敏感应用的要求。相对而言，低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星在广覆盖和传播时延/路损之间可以取得更好的平衡。但随着LEO卫星天线技术的发展，不久的将来用户的设备将直接接入6G非地面网络。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于6G空中基站结合北斗卫星定位的优化方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于6G空中基站结合北斗卫星定位的优化方法，包括：

步骤一、创建空中基站，并构建时延预测模型以为当前NTN节点各应用场景进行时延预测分析；

步骤二、将空中基站分为北斗侧和空中基站侧进行卫星定位坐标数据获取；

步骤三、接收卫星定位坐标数据，结合构建的卫星层级场景定位模型分析，生成含卫星层级、应用场景和预期时延信息的卫星标记，得到空中基站卫星精确坐标、卫星层级及卫星所在应用场景数据。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤一中，首先，通过整合不同轨道卫星，将非地面网络节点组建成6G空中基站，并对每一个卫星安装北斗信号接收器；

其次，通过北斗信号接收器接收北斗RDSS短报文数据对空中基站不同轨道卫星进行定位，并将定位坐标数据传给6G空中基站核心卫星；

然后，针对不同卫星层级业务的时延不同，采用随机森林算法构建契合各层级卫星应用场景的时延预期值来代替NTN节点的6G预期时延。

上述的步骤一将当前NTN节点存储的应用场景正常运行时的历史时延数据输入时延预测模型运算可获得下时间段各NTN节点业务正常运行时的时延发生概率。

上述的空中基站中非地面通讯基础设施包括UAV、HAPS、VLEO，且非地面基础设施与地面用户终端之间通过无线信号进行连接，其无线通讯相关日志数据存储在空中基础设施上。

上述的步骤二所述北斗侧用于对空中基站地面覆盖不到区域进行北斗定位；

所述空中基站侧通过构建精准定位程序并模拟北斗导航定位原理及技术获取基于北斗侧卫星坐标，同时利用空中基站的地面数据回传IAB基站及传输，对空中基站传回地面卫星坐标数据进行分析，得到基于空中基站自身的坐标定位。

所述北斗测和空中基站侧误差在10％以上，先通过北斗二次计算后仍误差在10％以上，则取北斗导航定位坐标与空中基站的地面IAB基站群回传的精准定位程序定位的坐标加权平均后综合判定当前卫星最终坐标，最后，将最终坐标及相关参数传递给空中基站核心卫星。

上述的精准定位程序通过空中基站自身数据参照北斗导航分析数据相结合进行卫星坐标定位；利用空中基站地面基站群的海量数据分析及传输，利用离卫星最近的地面基站和卫星进行由卫星信号发送信号给5G无线接入网RAN，RAN同时使用NR(gNB)和LTE(eNB)基站，完成与地面网络基站进行信号对接，来获取坐标、卫星编号、空中距离相关信息进行分析。

上述的步骤三中，对空中基站的IAB地面基站群覆盖不到区域，空中基站核心卫星接收北斗侧卫星定位坐标数据，对空中基站的IAB地面基站群覆盖到的区域，空中基站核心卫星接收空中基站侧卫星定位坐标数据。

上述的步骤三中，结合构建的卫星层级场景定位模型分析，得到空中基站所有卫星的卫星应用场景，并依据卫星定位坐标数据得到卫星层级、应用场景，并生成卫星标记，从而获得空中基站卫星精确坐标、卫星层级及卫星所在应用场景数据。

上述的卫星标记内容包括：北斗接收器ID、卫星层级、卫星IP、坐标、应用场景、预期时延。

本发明具有以下有益效果：

把空中基站等做为中继点，利用北斗RDSS定位技术,为以中国电信“天通一号”全球首个规模最大的5G SA商用网络，也为中国电信空中基站卫星精确定位提供了助力。

附图说明

图1为本发明方法原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1所示，一种基于6G空中基站结合北斗卫星定位的优化方法，包括：

步骤一、创建空中基站，并构建时延预测模型以为当前NTN节点各应用场景进行时延预测分析；

具体的：创建空中基站并通过人工智能模型为当前NTN(非地面)节点各应用场景进行预测分析时延。并生成表格。

首先，通过整合不同轨道卫星，将非地面网络节点组建成6G空中基站，并对每一个卫星安装北斗信号接收器。

其次，通过北斗信号接收器接收北斗RDSS短报文数据对空中基站不同轨道卫星进行精确定位，并将定位坐标数据传给6G空中基站核心卫星(例如：中国电信“天通一号”)。空中基站由于自身卫星定位不够准确，因此对卫星应用场景及预期时延等数据存在偏差，通过北斗定位可更加精确定位卫星所在场景，便于后续针对当前场景的各种服务。

然后，针对不同卫星层级业务的时延不同，采用随机森林算法构建契合各层级卫星应用场景的时延预期值来代替NTN(非地面通讯)节点的6G预期时延。从而将NTN节点的应用场景的预期时延转变为更符合应用场景运行的AI分析时延，并将预期应用场景的价值发挥到最大极致。

具体描述：

构建【时延预测模型】，并通过当前NTN节点存储的应用场景正常运行时的历史时延数据放入【时延预测模型】运算获得下时间段(毫秒、秒、分)各NTN节点业务正常运行时的时延发生概率。

【时延预测模型】公式为：

参数说明：

1、设定一个常数n，作为有多少个空中节点的预期应用场景。

2、其中|Di|/|D|指的是多少个空中节点的预期应用场景时延概率，计算H(i)的时候我们带入的总数目是应用场景数量。得出各个特征的Hi＝该场景发生时延超过场景初始阈值概率。

例如：带入城市/偏远地区用户通信网络规划不合理的历史日志数据有|D|条，符合场景一异常数据有|Di|条。

空中基站具体描述为：在6G空中场景中非地面通讯基础设施主要由UAV、HAPS、VLEO等常用设施组成。非地面基础设施与地面用户终端之间通过无线信号进行连接，其无线通讯相关日志数据存储在空中基础设施上。

具体名词描述：

UAV：无人驾驶飞机

HAPS：高空平台(HAPS:High Altitude Platform Station)通信系统将无线基站安放在长时间停留在高空的飞行器上来提供电信业务，被认为是一种2010年以后有良好潜在应用价值的宽带无线接入手段。若其高度在20km，则可以实现地面覆盖半径约500km的通信区

VLEO：星座

分布式MIMO：多输入多输出(mulTIple input mulTIple output，MIMO)无线传输技术开启了移动通信系统空间资源开发利用的新纪元。

最后、将NTN节点所有卫星预测的正常运行时延概率进行加权平均，从而完成当前NTN节点各应用场景AI分析时延，并代替预期时延，做为当前NTN节点各应用场景预期时延。

地面与空中基站一体化通讯技术原理

首先，将地面信号覆盖不到的地面区域按照场景特征，选取空中基站覆盖信号最强的卫星及对应的预期时延最好的卫星节点做为临时IAB节点。为没有卫星连接的偏远地区用户提供非地面接入。

其次，通过深度RAN融合，将不同子系统进行RAN级别融合。并采用单无线技术方案(地面与非地面网络之间使用同一空口)。

最后，卫星信号发送信号给通过5G无线接入网(RAN)，RAN能同时使用NR(gNB)和LTE(eNB)基站。从而完成与地面网络基站进行信号对接，地面网络辅助非地面网络的流程。

然后，地面与非地面的TRP是由各区域集中控制单元来协调的，各区域控制单元之间通过大容量接口互联。地面与非地络的无线资源通过统一控制面进行联合管理，根据瞬时信道条件调整统一空口物理层参数，从而在充分利用资源的同时，提高用戸可靠性和服务质量。

步骤二、空中基站为了实现100％覆盖将卫星定位分为北斗侧和空中基站侧分别进行卫星定位坐标数据获取。

北斗侧：对空中基站地面覆盖不到区域例如：海洋，偏远山区等已北斗定位坐标为准。

空中基站侧：构建精准定位程序并模拟北斗导航定位原理及技术获取基于北斗测卫星坐标，同时利用空中基站强大的地面数据回传IAB基站及传输对空中基站传回地面卫星坐标等数据进行分析得到基于空中基站自身的坐标定位。北斗测和空中基站侧误差在10％以上，先通过北斗二次计算后仍误差在10％以上，则取北斗导航定位坐标与空中基站的地面IAB基站群回传的精准定位程序定位的坐标加权平均后综合判定当前卫星最终坐标。最后，将最终坐标及相关参数传递给空中基站核心卫星。

精准定位程序的优点：

1、空中基站自身数据参照北斗导航分析数据相结合进行卫星坐标定位。对地面传输不到区域发挥北斗定位优势，为空中基站卫星进行精准定位。由于地面基站传输不到，空中基站覆盖该区域数据需经过较远基站传递也会造成延时及误差。

2、利用空中基站强大的地面基站群的海量数据分析及传输，利用离卫星最近的地面基站和卫星进行由卫星信号发送信号给5G无线接入网(RAN)，RAN能同时使用NR(gNB)和LTE(eNB)基站。从而完成与地面网络基站进行信号对接，来获取坐标、卫星编号、空中距离等相关信息进行分析。可以有效避免北斗信号获取空中基站卫星坐标过程中由于，大气层延迟，对流层延迟及电离层延迟可能造成的定位误差。

北斗侧：

首先，对北斗空中导航卫星收到空中基站请求获取精准定位信息后，北斗空中系统通过RDSS短报文方式传递给地面MCC，MCC通知存储空中基站的北斗日志数据的北斗分理服务平台进行分析获得精准卫星坐标数据。

其次，在通过北斗应用设备包含(北斗RDSS设备、北斗RDSS+RNSS设备、北斗RNSS设备)，将精准坐标、其他参数相关分析结果再次以RDSS短报文方式回传给空中北斗卫星。空中北斗卫星系统在发送给空中基站核心卫星。例如：中国电信-天通一号卫星。

然后，空中基站核心卫星将精确坐标分析结果再通过北斗空中导航卫星发给空中基站各层级卫星。各层级卫星通过北斗接收器接收的RDSS短报文精准坐标信息进行当前坐标校对和场景确认。从而达到空中基站结合北斗导航为各卫星层级提供精准坐标定位，并通过精准坐标确认空中基站各卫星所在应用场景并提供更加符合当前应用场景的商业卫星服务。

空中基站侧：

同时，北斗导航地面MCC管理的北斗分理服务平台将存储的空中基站的北斗日志数据通过北斗API接口将日志数据同步传输给空中基站的地面数据回传IAB基站。IAB基站收到日志数据后启动精准定位程序，对北斗日志数据从3方面进行精准定位。

最后，将所有卫星精准坐标及预警概率值等分析结果通过IAB基站群回传给空中基站核心卫星，核心卫星收到精准坐标后通过空中无线信号网络对所有卫星发送地面分析坐标信息，卫星收到坐标信息后与接收的北斗RDSS短报文坐标信息校对，如果坐标定位误差在10％以内正常，反之则再次向北斗发送请求获取精准定位信息，通过步骤二的北斗侧数据分析计算二次验证坐标精准度，这样可尽量避免由于异常气流造成的定位误报的可能。如果误差仍在10％以外则取北斗导航定位坐标与空中基站的地面IAB基站群回传的精准定位程序定位的坐标加权平均后综合判定当前卫星最终坐标。

精准定位程序主要模拟北斗现有技术原理并创新性的结合空中基站强大的地面多基站运算及传输能力，为卫星坐标精准定位提供另外一种技术方案。精准定位程序针对影响定位精度的主要误差3类来源进行分析级处理。

1、与卫星有关的误差：主要包括卫星星历误差和卫星钟误差。

2、与信号传播有关的误差：卫星发出的导航信号传播到接收机需要穿过大气层，大气层对传播的影响主要表现为大气延迟，主要包括电离层延迟和对流层信号进入接收机天线前，导航信号被接收机天线前面的建筑物或水面等反射造成多路径效应。

3、与接收机及测站有关的误差：主要有接收机钟差、接收机天线相位中心偏移、接收机噪声等误差。

精准定位程序针对不同情况执行不同命令具体描述：

卫星与信号传播有关的误差

由于卫星的星历和钟差是地面运控系统主控站根据监测站的观测数据，进行轨道参数和钟差参数估计，然后利用估计值进行预报得到的结果。因此，卫星的星历和钟差既包含参数估计不准确引人的误差，也包含预报模型的不精确引人的误差。这些误差包含在导航电文中，用户在不修正的情况下，直接用于定位，必然导致定位结果出现偏差。因此，与卫星相关的误差主要包括卫星星历误差和钟差误差。

1-1、修正星历误差程序处理过程

由于，卫星星历计算得到的卫星轨道与实际轨道之间的差值称为星历误差，即导航电文中的广播星历外推卫星轨道带来的误差。

首先，程序执行获取北斗导航短报文信息轨道参数和钟差参数。同时获取空中基站地面IAB基站群距离目标卫星最近的基站通过深度RAN融合，将不同子系统进行RAN级别融合。并采用单无线技术方案(地面与非地面网络之间使用同一空口)。

其次，卫星信号发送信号通过5G无线接入网(RAN)，RAN能同时使用NR(gNB)和LTE(eNB)基站。地面与非地络的无线资源通过统一控制面进行联合管理，根据瞬时信道条件调整统一空口物理层参数，从而在充分利用资源的同时，提高用戸可靠性和服务质量。

然后，将导航电文轨道参数和空中基站地面获取卫星轨道参数进行差值比较，称为优化星历误差。优化星历误差和星历误差进行差值比较，如果大于10％以优化星历误差为准，并生成巡检坐标标识。反正以星历误差为准。

1-2、钟差误差

程序依据北斗卫星偏差公式执行：Δt＝a

其中，a

卫星钟差通过多项式模型修正后，仍不可避免地存在误差，利用钟差参数计算得到的钟差与实际钟差存在差别，通过广播星历改正的卫星钟差精度为S～10ns，在相对定位中，可通过测站间的观测量求差来消除。

2、与信号传播有关的误差

电离层延迟误差的特性

距离地面60～1000km的大气层区域，在太阳紫外线辐射和×射线的光化离解及太阳风和银河宇宙射线中高能粒子的撞击离解的共同作用下，这部分大气被电离，形成一个整体上呈电中性但其中包含大量自由电子和正负离子的区域，称为电离层。

2-1、电离层延迟及其修正方法

包括北斗二号和北斗三号不同修正方法，本专利主要基于北斗三号双频接收机修正方法：

对于使用BIC和B2a信号的双频用户，采用双频无电离层组合伪距算法来修正电延迟的影响，计算方法如下。

文献来自(北斗卫星定位与原理118页)

1、对于使用BIC导频分量和B2a导频分量的双频用户

2、对于使用BIC导频分量和B2a数据分量的双频用户

3、对于使用BIC数据分量和B2a导频分量的双频用户

4、对于使用BIC数据分量和B2a数据分量的双频用户

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2-2、对流层延迟及其修正方法

对流层是从地面开始延伸至以上约50km的大气层。当卫星导航信号从中穿越时，改变信号的传播速度和传播路径，我们称这一现象为对流层延迟。对流层延迟对导航信的影响，在天顶方向的延迟为1.9～2.5m；随着高度角不断减小，对流层延迟将增加至20-80m。

对流层天顶延迟模型：

其中，D

3、与接收机及测站有关的误差

3-1、天线相位中心误差

在北斗导航定位中，无论伪距观测值还是载波相位观测值，都是以接收机天线的相位中心位置为准的，而天线的相位中心与其几何中心，在理论上应保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输人的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置(一般称为视相位中心)与理论上的相位中心位置将有所不同。天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的好坏可达数毫米至数厘米。因此对于精密相对定位来说，由天线相位中心造成的误差也是不容忽视的。

在地固坐标系中将相位中心偏移投影到接收机到卫星的方向矢量上，得到接收机天线相位中心偏移引起的距离误差为

4、其他误差

4-1、相对论效应

对于卫星导航系统，非圆轨道值为固定值，因此可以采将卫星中的频率降低的办法来解决。这样就可以消去相对论效应的影响。

请参考文献《北斗卫星定位与原理》125页。

步骤三、对空中基站的IAB地面基站群覆盖不到区域空中基站核心卫星接收北斗侧卫星定位坐标数据。反之，接收空中基站侧卫星定位坐标数据。

然后，结合构建的【卫星层级场景定位模型】分析，分析结果为空中基站所有卫星的卫星应用场景，并依据卫星定位坐标数据得到卫星层级、应用场景，并生成卫星标记，从而精确获得空中基站卫星精确坐标、卫星层级及卫星所在应用场景等商业卫星服务的重要数据。

卫星标记格式：北斗接收器ID###卫星层级###卫星IP###精准坐标###应用场景###AI预期时延。

卫星层级场景定位模型公式为：minf(x)＝(f

其变量可行域为S，相应的目标可行域Z＝f(S)。

给定一个可行点x

举例：S＝有效数据

f＝分类

Z＝f(S)：所有符合空中基站应用场景的分类

f(x)＝当前层级卫星数据和近似数据

x＝近似数据

非地面节点的主要特征和预期，对精准定位后的应用场景进行商业服务如表1所示。

表1

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以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。