BDS衛(wèi)星空間信號(hào)異常探測及性能評估方法研究

范麗紅

中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，陜西 西安 710600

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的空間信號(hào)異常會(huì)對用戶的導(dǎo)航定位性能產(chǎn)生影響。異常信號(hào)的探測和性能評估對廣播星歷播發(fā)的空間信號(hào)(signal-in-space,SIS)的連續(xù)性、可用性和完好性等顯得尤為重要。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)，除與其他導(dǎo)航系統(tǒng)類似，不可避免地存在未被監(jiān)測的空間信號(hào)異常外，由于星座構(gòu)型的特殊性，地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)還存在較頻繁的軌道機(jī)動(dòng)，此時(shí)，衛(wèi)星廣播星歷播發(fā)的位置信息與衛(wèi)星真實(shí)的軌道不符，同樣會(huì)導(dǎo)致空間信號(hào)異常。在現(xiàn)有ARAIM(advanced receiver autonomous integrity monitoring)研究中，BDS衛(wèi)星故障分配和故障率均是保守估計(jì)值，與實(shí)際不符，導(dǎo)致在應(yīng)用時(shí)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何準(zhǔn)確探測BDS衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)、衛(wèi)星鐘和軌道誤差等引起的空間信號(hào)異常，為用戶提供準(zhǔn)確的系統(tǒng)可用性和連續(xù)性評估指標(biāo)就顯得尤為迫切。基于此，本文針對上述問題開展了系統(tǒng)研究，主要成果如下：

(1) 系統(tǒng)研究了BDS衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)的調(diào)控手段及軌道機(jī)動(dòng)對軌道根數(shù)的影響，提出了一種基于ROOTA和健康狀態(tài)標(biāo)識(shí)的BDS衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)探測方法，并通過2015年的廣播星歷數(shù)據(jù)獲取了BDS衛(wèi)星的軌道機(jī)動(dòng)周期及軌道恢復(fù)時(shí)長。

(2) 研究了BDS衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)對服務(wù)性能影響，特別是GEO衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)對BDS系統(tǒng)在非精密進(jìn)近(non-precision approach,NPA)階段的RAIM可用性影響。仿真結(jié)果表明，若各GEO衛(wèi)星在UTC 07—08 h和15—16 h發(fā)生軌道機(jī)動(dòng)，BDS在亞太區(qū)域的服務(wù)可用性最大降低至97.8%；由實(shí)際的軌道機(jī)動(dòng)時(shí)段分析發(fā)現(xiàn)，C04衛(wèi)星在UTC 14—23 h和C05衛(wèi)星在00—05 h的軌道機(jī)動(dòng)使得BDS在亞太區(qū)域的RAIM可用性低于99.9%，兩顆衛(wèi)星的影響范圍主要為亞太區(qū)域上下兩端的邊角部分。

(3) 針對目前傳統(tǒng)精密星歷比較法用于BDS衛(wèi)星空間信號(hào)異常探測時(shí)，存在閾值難以確定和易受鐘差粗差污染問題，研究提出了一種改進(jìn)的精密星歷探測空間信號(hào)異常方法。改進(jìn)方法首先采用中位數(shù)法探測鐘差粗差，避免鐘差基準(zhǔn)粗差污染空間信號(hào)誤差；其次采用初始經(jīng)驗(yàn)閾值結(jié)合截尾數(shù)據(jù)SISRE(signal-in-space range error)真誤差進(jìn)行兩步閾值策略探測空間信號(hào)異常。2015—2016年的探測試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)方法能有效避免衛(wèi)星粗差導(dǎo)致的星座故障。

(4) 提出并建立了一種基于多監(jiān)測站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的空間信號(hào)異常實(shí)時(shí)探測方法，在接收機(jī)鐘差求解和IURE(instantaneous user range error)的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)均提出了新的處理策略，較好地解決了現(xiàn)有利用觀測數(shù)據(jù)探測空間信號(hào)異常需要用到精密星歷的問題。利用2015年1月的空間信號(hào)異常實(shí)時(shí)探測的算例結(jié)果表明，對多監(jiān)測站數(shù)據(jù)采用改進(jìn)方法可有效排除接收機(jī)端故障，新方法能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確探測空間信號(hào)異常(包括軌道機(jī)動(dòng))的起止時(shí)刻。

(5) 首次分析歸納給出BDS衛(wèi)星空間信號(hào)性能評估時(shí)的四類故障模式(與衛(wèi)星服役周期有關(guān)的長期故障，與衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)相關(guān)的維護(hù)故障，與衛(wèi)星隨機(jī)可修復(fù)異常相關(guān)的短期故障，以及三類故障綜合影響的等效故障)，并獲取了各類故障的平均故障間隔(mean time between failure,MTBF)和平均修復(fù)時(shí)間(mean time to repair,MTTR)，進(jìn)而評估了BDS衛(wèi)星空間信號(hào)的可用性和連續(xù)性。