RTCA協(xié)議下北斗完好性降效參數(shù)算法設(shè)計及檢驗(yàn)

王源昕，曹月玲，胡小工，黃勇,*，唐成盼

1.中國科學(xué)院 上海天文臺，上海 200030 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

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RTCA協(xié)議下北斗完好性降效參數(shù)算法設(shè)計及檢驗(yàn)

王源昕1,2，曹月玲1，胡小工1，黃勇1,*，唐成盼1

1.中國科學(xué)院 上海天文臺，上海 200030 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

目前我國北斗導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的完好性參數(shù)設(shè)計缺少針對差分信息有效性的降效參數(shù)設(shè)計，不滿足航空無線電委員會(RTCA)提出的接口協(xié)議，無法同國際其他GNSS星基增強(qiáng)系統(tǒng)相兼容。根據(jù)RTCA接口協(xié)議，針對我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性降效參數(shù)處理算法進(jìn)行了研究，利用北斗實(shí)測數(shù)據(jù)分析了完好性降效參數(shù)對用戶增強(qiáng)服務(wù)的影響，驗(yàn)證了算法的有效性。結(jié)果表明，正常情況下，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)增強(qiáng)服務(wù)三維定位精度可達(dá)到1.13 m。當(dāng)用戶丟失部分差分改正信息時，定位精度約1.44 m，精度下降約27.4%，利用完好性降效參數(shù)對過期差分信息進(jìn)行降效處理，優(yōu)化定位權(quán)陣，可將定位精度提高至1.17 m，達(dá)到正常增強(qiáng)服務(wù)水平。

星基增強(qiáng)系統(tǒng);航空無線電委員會協(xié)議;完好性;降效參數(shù);北斗;定位

GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于定位、導(dǎo)航和授時等服務(wù)，隨著GPS、GLONASS、Galileo以及BDS系統(tǒng)的完善,下一代GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能得到極大增強(qiáng)。與此同時,各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度也大幅度提升,導(dǎo)致系統(tǒng)故障發(fā)生概率明顯增加，因此，GNSS系統(tǒng)完好性監(jiān)測問題成為越來越受關(guān)注的研究熱點(diǎn)[1-4]。

通常情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)提供的增強(qiáng)信息包括兩類，一類是基于軌道和鐘差誤差改正的差分信息；一類是完好性信息，完好性信息是對差分改正信息的精度進(jìn)行檢核[5]。而北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS系統(tǒng))雖在設(shè)計初期已經(jīng)考慮了完好性需求，但完好性參數(shù)設(shè)計還不夠完善，無法滿足實(shí)際使用需求。隨著BDS系統(tǒng)向全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，為了實(shí)現(xiàn)與其他GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)相兼容，并滿足航空無線電委員會(RTCA)提出的接口協(xié)議，BDS系統(tǒng)在完好性參數(shù)設(shè)計上需要進(jìn)一步地完善與細(xì)化。

BDS現(xiàn)役系統(tǒng)完好性參數(shù)與RTCA協(xié)議完好性參數(shù)設(shè)計的主要區(qū)別在于缺少降效參數(shù)的設(shè)計。目前，國內(nèi)還沒有文獻(xiàn)對降效參數(shù)的處理算法進(jìn)行研究，本文根據(jù)RTCA接口協(xié)議中對降效參數(shù)的定義，對完好性降效參數(shù)相關(guān)處理算法進(jìn)行了研究，利用BDS實(shí)測數(shù)據(jù)，對完好性降效參數(shù)算法有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)，分析了在用戶無法及時獲取差分改正信息情況下，應(yīng)用完好性降效參數(shù)對用戶增強(qiáng)服務(wù)精度和可靠性的改善。

1　降效參數(shù)的定義及算法研究

BDS現(xiàn)役系統(tǒng)完好性參數(shù)僅包括UDRE、GIVE[6-8],與RTCA協(xié)議完好性參數(shù)設(shè)計[9]的區(qū)別見表1。BD現(xiàn)役系統(tǒng)目前缺少降效參數(shù)的設(shè)計,降效參數(shù)是指衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)增強(qiáng)系統(tǒng)會為用戶實(shí)時提供差分改正信息，以提高增強(qiáng)服務(wù)精度。但在一些異常情況下，隨機(jī)一個字節(jié)的錯誤或者其他原因，會導(dǎo)致用戶丟失這些增強(qiáng)信息，而系統(tǒng)播發(fā)針對差分改正信息有效性的降效參數(shù)，就可以保證用戶在丟失增強(qiáng)信息后的系統(tǒng)完好性。

在RTCA協(xié)議中，GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)星基增強(qiáng)系統(tǒng)提供的差分改正信息分為快變改正(鐘差誤差改正)、慢變改正(星歷誤差改正)以及電離層格網(wǎng)改正信息。本文根據(jù)星基增強(qiáng)系統(tǒng)導(dǎo)航電文的慢變改正、快變改正將降效參數(shù)區(qū)分為慢變改正降效參數(shù)和快變改正降效參數(shù)，在最新的SBAS L5用戶接口文件初稿中[10]，降效參數(shù)定義如表2、表3所示。

注：√表示有該參數(shù)，×表示沒有。

表2　慢變改正降效參數(shù)定義

表3　快變改正降效參數(shù)

根據(jù)SBAS L5用戶接口文件中的定義，對降效參數(shù)的處理算法進(jìn)行了設(shè)計，其中Iltcv0、Iltcv1、Igeo、Iiono均為系統(tǒng)設(shè)置，部分主要降效參數(shù)的算法如下:

(1)

式中:Fp.clk為快變改正值；Clkunit為鐘差快變改正信息量化單位。

(2)

(3)

式中：X1、Y1、Z1為導(dǎo)航電文中兩次更新周期慢變改正中軌道改正值速度項(xiàng)的差值，A1為鐘漂，Iltc,v1在表2中有定義，為系統(tǒng)設(shè)置項(xiàng)。

(5)

式中：IGPdelay為相鄰兩次電離層延遲增量(取全部格網(wǎng)點(diǎn)的變化均值)。

(6)

(7)

式中：dx、dy、dz、d(clk)如下:

(8)

式中：x、y、z為導(dǎo)航電文中提供的軌道改正值;Iunit為軌道改正值量化單位；Aunit為鐘差慢變改正值量化單位。

根據(jù)上述降效參數(shù)算法設(shè)計，利用2015年4月25日北斗實(shí)測數(shù)據(jù)，計算得到慢變降效參數(shù)并根據(jù)RTCA協(xié)議設(shè)置截斷點(diǎn)，Brrc、Cltc,v0均小于2.046。以1號星為例，慢變降效參數(shù)Brrc、Cltc,v0時間序列如圖1所示。

圖1　部分降效參數(shù)時間序列Fig.1　Result of part of degradation parameters

2　降效參數(shù)的使用算法

用戶單點(diǎn)定位觀測方程可寫為:

(9)

式中：ε為偽距觀測噪聲;G=

式中： (xs,ys,zs)為衛(wèi)星位置；(xu,yu,zu)為用戶位置；dρ為偽距觀測值與理論值之差；向量y代表觀測量。則觀測方程的加權(quán)最小二乘解可表示為:

(10)

式中：W為用戶定位權(quán)陣，為對角陣:

(11)

(12)

(13)

式中：RSSUDRE為用戶差分距離誤差(UDRE)平方根和因子；σUDRE為UDRE殘差;δUDRE為影響用戶定位因子；RSSUDRE在第4節(jié)有效性檢驗(yàn)中設(shè)為1；εfc為快變改正降效參數(shù)誤差；εrrc為距離變化率改正降效參數(shù)誤差；εltc為慢變改正降效參數(shù)誤差；εer為NPA服務(wù)階段降效參數(shù)誤差。

(14)

當(dāng)快變改正標(biāo)識IODF≠3，

(15)

當(dāng)IODF=3,

(16)

當(dāng)慢變改正速度項(xiàng)時，即Velocity Code=1時，

(17)

當(dāng)慢變改正值時，即Velocity Code=0時，

(18)

GEO導(dǎo)航數(shù)據(jù)的慢變改正降效參數(shù)誤差是：

(19)

(20)

式(14)～(20)中:Ifc,j為最短的快變改正超時間隔；IODFcurrent為最近的快變改正相關(guān)的IODF；Δt=(tof-tpre)，tof為最新的快變改正的時間，tpre為之前的快變改正的時間；t為當(dāng)前時間。tltc=GEO衛(wèi)星中慢變校正信息的第一個比特的傳輸時間；為小于x的最大整數(shù)或者全體整數(shù),為使用GEO導(dǎo)航電文消息的時間[5]，其余各參數(shù)均已在表2、表3中定義。

3　降效參數(shù)有效性檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證完好性降效參數(shù)有效性，分別計算了三種模式下的用戶實(shí)時定位精度。第一種模式，用戶能夠正常接收到全部增強(qiáng)改正信息；第二種模式，仿真用戶增強(qiáng)信息丟失情況，人為設(shè)置30 min內(nèi)有12 min的差分增強(qiáng)信息缺失，缺失時間內(nèi)，用戶定位不使用差分增強(qiáng)信息；第三種模式， 與第二種模式相同，但在差分增強(qiáng)信息缺失時間內(nèi)，均采用最后一組收到的差分增強(qiáng)信息，并利用降效參數(shù)計算用戶定位權(quán)陣，對差分增強(qiáng)信息的有效性進(jìn)行降效處理。

利用2015年4月25日1時12分～1時42分北斗實(shí)測數(shù)據(jù)和北斗增強(qiáng)差分改正信息，計算北斗完好性降效參數(shù)，并對上述三種模式的用戶定位精度進(jìn)行了分析驗(yàn)證。圖2給出了三種模式下差分改正信息的使用情況，以1號衛(wèi)星的差分改正為例。其中，圖2(a)為模式一情況下差分改正數(shù)使用情況，黑色連續(xù)的點(diǎn)表示全部時間段正常接收差分信息；圖2(b)為模式二情況下差分改正數(shù)使用情況，中間10～20 min內(nèi)缺失差分改正信息，用戶定位不采用任何改正數(shù)；圖2(c)為模式三情況下差分改正數(shù)使用情況，中間10～20 min內(nèi)缺失差分改正信息，該時間段內(nèi)用戶定位時均采用第8 min的差分改正(以圓圈表示)。

圖2　三種模式下，增強(qiáng)信息中鐘差改正值時間序列Fig.2　Clock correction in three modes

針對上述三種模式，計算中國區(qū)域內(nèi)10個監(jiān)測站的三維實(shí)時定位精度，定位結(jié)果RMS統(tǒng)計結(jié)果見表4。結(jié)果表明在缺失差分改正信息的情況下，定位精度均有下降。而采用增強(qiáng)信息丟失前最后一組差分改正信息，利用降效參數(shù)對增強(qiáng)信息的有效性和完好性進(jìn)行限定，用戶的三維實(shí)時定位精度有明顯提高，與正常情況下增強(qiáng)服務(wù)定位精度相當(dāng)。相對于模式二，利用降效參數(shù)信息后，可以將用戶三維定位精度平均提高約23%。

以鄭州站為例進(jìn)行具體說明，如圖3所示，圖3(a)為正常增強(qiáng)服務(wù)情況下(模式一)，三維實(shí)時定位精度為0.93 m;圖3(b)為丟失12 min增強(qiáng)信息情況下(模式二)，三維實(shí)時定位精度為1.15 m；圖3(c)為丟失增強(qiáng)信息后基于降效參數(shù)加權(quán)情況下(模式三)，三維實(shí)時定位精度為0.96 m。圖3中，將定位分三個階段用2條直線進(jìn)行分隔，0～10 min及20～30 min，3種定位模式均處于正常增強(qiáng)服務(wù)情況，10～20 min模式二和模式三為丟失增強(qiáng)信息時間段。在丟失增強(qiáng)信息時間段，模式二定位精度較模式一明顯下降。而模式三在丟失增強(qiáng)信息后，使用過期的增強(qiáng)信息，并根據(jù)各衛(wèi)星計算得到的降效參數(shù)，對各衛(wèi)星分別進(jìn)行降權(quán)處理，相對于完全不使用差分改正信息的情況(模式二)，定位精度有明顯改善，與正常增強(qiáng)服務(wù)情況(模式一)定位精度大致相當(dāng)，保障了增強(qiáng)服務(wù)的連續(xù)性和可用性。

表4　各測站3種模式定位精度RMS統(tǒng)計

圖3　鄭州站定位結(jié)果Fig.3　Positioning results of Zhengzhou station in three modes

4　結(jié)論

本文依據(jù)最新的SBAS L5用戶接口文件初稿中降效參數(shù)的定義，設(shè)計了RTCA協(xié)議下的完好性降效參數(shù)處理算法。采用北斗實(shí)測數(shù)據(jù)，計算了完好性降效參數(shù)，并分析了降效參數(shù)對北斗增強(qiáng)服務(wù)用戶的影響。計算結(jié)果表明，設(shè)計的完好性降效參數(shù)算法適用于北斗增強(qiáng)系統(tǒng)。在差分信息丟失的情況下，采用過期差分信息，并利用降效參數(shù)對過期差分信息的有效性進(jìn)行約束，用戶定位精度可與正常增強(qiáng)服務(wù)下的定位精度相當(dāng)，可有效保障北斗系統(tǒng)增強(qiáng)服務(wù)的連續(xù)性和可用性。該算法可為北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)的完好性參數(shù)設(shè)計提供借鑒。

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(編輯：高珍)

The algorithm and validation of BeiDou system(BDS)integrity degradation parameters with RTCA protocol

WANG Yuanxin1,2，CAO Yueling1，HU Xiaogong1，HUANG Yong1,*，TANG Chengpan1

1.Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030，China 2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China

Currently,the design of integrity parameters for the satellite based augmentation system of BDS is lack of degradation parameters for the differential information′s availability,and can′t satisfy the RTCA protocol. So the satellite based augmentation system of BDS is not compatible to the other international satellite based augmentation system of GNSS.The integrity degradation parameters of BDS were designed according to the RTCA protocol,and the effect on the user positioning was analyzed by using the BDS measured data. Based on these,the effectiveness of this algorithm was demonstrated.The results show that, the location precision of the augmentation system for BDS reaches 1.13 m. However, if the user failed to receive some differential correction, the positioning precision reaches 1.44 m, decreases by 27.4% approximately. In this situation, by optimizing position matrix with the integrity parameters to the past differential message, the positioning precision will increase to 1.17 m, so the authorized service will recover.

satellite based augmentation system; Radio Technical Commission for Aeronautics protocol; integrity; degredation; BeiDou navigation system;positioning

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0054

2015-12-25；

2016-03-25；錄用日期：2016-06-30；

時間：2016-09-2116:27:59

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160921.1627.011.html

國家自然科學(xué)基金(11203059)

王源昕(1990-)，女，碩士研究生，yxwang5211@gmail.com,研究方向?yàn)閺V域差分與完好性

黃勇(1977-)，男，研究員，yongh@shao.ac.cn，研究方向?yàn)榭臻g飛行器精密定軌及其應(yīng)用

V43

A

http:∥zgkj.cast.cn

引用格式：王源昕，曹月玲，胡小工,等.RTCA協(xié)議下北斗完好性降效參數(shù)算法設(shè)計及檢驗(yàn)[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2016，36(5)：25-31.WANGYX,CAOYL,HUXG,etal.ThealgorithmandvalidationofBeiDousystem(BDS)integritydegradationparameterswithRTCAprotocol[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016,36(5)：25-31(inChinese).