SBAS監(jiān)測站構(gòu)成及部署方法分析

曲鵬程,劉翔,金彪,陳姍姍,夏川茹

(航天恒星科技有限公司,北京 100089)

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)基本導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能尚不能滿足ICAO附件10卷I中APV至CAT-I段飛行引導(dǎo)要求,尤其在導(dǎo)航服務(wù)完好性和告警時間方面．因此,以美歐為代表的多個國家和地區(qū)已先后完成星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)的建設(shè),以提高基本導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能．已建成或規(guī)劃建設(shè)的SBAS服務(wù)范圍可參考文獻(xiàn)[1]．根據(jù)SBAS服務(wù)范圍可知,如圖1所示,北半球中國區(qū)域尚屬空白,亟需建設(shè)北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)為中國及周邊地區(qū)以民航為代表的用戶提供高完好性服務(wù)．

圖1 SBAS系統(tǒng)及其服務(wù)范圍

SBAS主要組成部分類似,包括空間段、地面段和用戶段三部分．空間段是由地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星構(gòu)成;地面段包括監(jiān)測站、主控站、注入站和通信網(wǎng)絡(luò);用戶段是由能夠接收SBAS信號的終端設(shè)備構(gòu)成．其中,地面段中的監(jiān)測站為SBAS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),其構(gòu)成及分布將會直接影響SBAS服務(wù)性能[2-9]．因此,有必要依據(jù)現(xiàn)有的成熟SBAS監(jiān)測站建設(shè)情況,分析監(jiān)測站的構(gòu)成及其部署方法,為未來SBAS的監(jiān)測站建設(shè)提供參考．

1 監(jiān)測站構(gòu)成及分布

在已建成或規(guī)劃建設(shè)的SBAS中,美國的WAAS與歐洲的EGNOS最為典型,系統(tǒng)建設(shè)信息最為全面．本節(jié)以這兩個系統(tǒng)為基礎(chǔ),詳細(xì)分析SBAS監(jiān)測站的主要設(shè)備構(gòu)成及其分布的特點．

1.1 WAAS參考站

WAAS參考站網(wǎng)由分布在美國、夏威夷、波多黎各、阿拉斯加、加拿大和墨西哥等地的38個廣域參考站(WRS)構(gòu)成[2,9]．如圖2所示，每個廣域參考站(WRS)包含三套設(shè)備(WRE),分別稱為WRE-A、WRE-B和WRE-C,每套設(shè)備獨立地收集衛(wèi)星數(shù)據(jù)．每套設(shè)備由一個WAAS接收機(jī)、一個銫原子鐘、一個數(shù)據(jù)采集處理器(DCP)組成[10]．

利用NSTB在網(wǎng)站FTP發(fā)布的參考站坐標(biāo)文件[11]以及相應(yīng)的地圖信息,通過計算可知WAAS參考站大部分建在機(jī)場內(nèi)部或附近,其中34個參考站建在機(jī)場5 km范圍內(nèi),其中22個站建在機(jī)場內(nèi),最遠(yuǎn)距離機(jī)場17.4 km．WAAS參考站站點之所以選擇在機(jī)場附近的原因是WAAS由FAA主導(dǎo),直接利用現(xiàn)有機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施,管理完善,成熟度高,降低建設(shè)成本;機(jī)場具備完善的電磁環(huán)境監(jiān)測手段,能夠有效保障系統(tǒng)安全運營．

1.2 EGNOS監(jiān)測站

EGNOS地面監(jiān)測站網(wǎng)由39個監(jiān)測站(RIMS)構(gòu)成,其分布情況如圖3所示．每個監(jiān)測站有一個原子鐘,選用銣鐘或銫鐘,所有監(jiān)測站的原子鐘共同維持獨立的時間系統(tǒng)．每個監(jiān)測站由2個或3個通道(A/B或A/B/C)構(gòu)成,每個通道包含天線、接收機(jī)、核心計算機(jī)．RIMS-A、RIMS-B通道中一路數(shù)據(jù)用于差分改正計算,另一路數(shù)據(jù)用于比較和完好性監(jiān)測,RIMS-C通道具備信號質(zhì)量監(jiān)測(SQM)功能[12]．

圖3 EGNOS監(jiān)測站分布圖

圖4所示綠色站點表示該監(jiān)測站含雙通道A/B,一路數(shù)據(jù)用于差分改正計算,一路數(shù)據(jù)用于比較和完好性監(jiān)測．紅色站點表示該監(jiān)測站含三通道A/B/C,C具備SQM功能．

圖4 兩種監(jiān)測站分布情況

利用strsvr軟件訪問EGNOS監(jiān)測站NtripClient返回的SourceTable中監(jiān)測站的位置信息以及相應(yīng)的地圖信息,通過計算可知EGNOS監(jiān)測站大部分建在機(jī)場內(nèi)部或附近．其中,25個監(jiān)測站建在機(jī)場5 km范圍內(nèi),20個監(jiān)測站建在機(jī)場內(nèi)部,EGNOS監(jiān)測站距離機(jī)場的最遠(yuǎn)距離為61 km．

1.3 小 結(jié)

通過上述分析可知,WAAS與EGNOS地面監(jiān)測站構(gòu)成的設(shè)計都使用了至少兩套獨立的數(shù)據(jù)采集通道(WAAS參考站采用3套獨立數(shù)據(jù)采集通道,EGNOS監(jiān)測站采用2套或3套獨立數(shù)據(jù)采集通道),每套獨立通道的基本組成包括1臺監(jiān)測接收機(jī)、1臺計算機(jī)以及1臺原子鐘．因此,未來建設(shè)SBAS時,地面監(jiān)測站可以以3個獨立的衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集通道,每個通道包含1臺監(jiān)測接收機(jī)(含天線)、1臺計算機(jī)以及1臺原子鐘的設(shè)計作為參考．

此外,WAAS與EGNOS參考站大部分建設(shè)在機(jī)場內(nèi)部及其附近區(qū)域,主要考慮的因素為可以利用現(xiàn)有機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施,管理完善,成熟度高,降低建設(shè)成本;機(jī)場具備完善的電磁環(huán)境監(jiān)測手段,能夠有效保障系統(tǒng)安全運營．因此,SBAS地面監(jiān)測站的站址選取可以參照以下原則:1)當(dāng)具備機(jī)場建設(shè)條件時,將SBAS監(jiān)測站建設(shè)在機(jī)場內(nèi)部;2)當(dāng)不具備機(jī)場建設(shè)條件時,SBAS監(jiān)測站的站址盡量靠近機(jī)場．

2 監(jiān)測站部署

通過第1節(jié)內(nèi)容可知,SBAS監(jiān)測站的核心設(shè)備包括3個獨立的衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集通道,每個通道包含1臺監(jiān)測接收機(jī)(含天線)、1臺計算機(jī)以及1臺原子鐘．監(jiān)測接收機(jī)天線的部署將會影響不同數(shù)據(jù)采集通道之間衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集的獨立性．因此,本節(jié)將以WAAS為參考,利用實測數(shù)據(jù)對所有站點天線間距離和構(gòu)型、監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量以及不同天線間多路徑相關(guān)性等方面開展詳盡分析,進(jìn)而得出適用于SBAS監(jiān)測站天線部署的一般方法．

2.1 監(jiān)測站天線分布

根據(jù)NSTB在網(wǎng)站FTP發(fā)布的每個廣域參考站3個天線的坐標(biāo)文件(nstb-XYZ.cfg)[11],各個參考站的天線分布情況如圖5所示.

根據(jù)圖5分析可知,WAAS參考站天線距離平均值為8.95 m,70%天線距離<9.3 m,80%天線距離<12.2 m,最大距離41.3 m;除了少數(shù)參考站天線的構(gòu)型為鈍角三角形或直線,大部分參考站天線的構(gòu)型為銳角三角形或直角三角形．具體天線距離和構(gòu)型與周圍環(huán)境、占地面積相關(guān),同時需降低多路徑相關(guān)性的干擾．因此,在場地空間允許的情況下,參考站天線的構(gòu)型建議采用銳角三角形或直角三角形,而不同天線之間多路徑相關(guān)性將會在后續(xù)進(jìn)行分析．

圖5 WAAS廣域參考站天線分布

2.2 監(jiān)測站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

本文采用2019年年積日216～222 WAAS系統(tǒng)的wfai、wotz、wzkc以及wztl四個參考站的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析,此四個參考站的數(shù)據(jù)包含了完整的3路不同數(shù)據(jù)采集單元的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)下載地址見文獻(xiàn)[11]．

首先利用斯坦福大學(xué)網(wǎng)站提供的SGMP軟件對下載的參考站數(shù)據(jù)解碼,然后使用自主開發(fā)的程序(SGMP2RINEX.m)將解碼完成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RINEX文件,利用TEQC軟件完成數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析．

各參考站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估基于TEQC軟件[13-14]給出的指標(biāo),包括反映觀測數(shù)據(jù)多路徑影響水平的指標(biāo)MP1、MP2,反映觀測數(shù)據(jù)接收完整情況的指標(biāo)“實收-應(yīng)收觀測比”[14-17]以及反映觀測的數(shù)據(jù)中跳變數(shù)量的指標(biāo)“觀測-跳變比”(o/slps)[15-18]．

各指標(biāo)的合格閾值將優(yōu)先按照國家標(biāo)準(zhǔn)[18]進(jìn)行設(shè)定,其中MP1、MP2值上限設(shè)為0.5 m和0.65 m;“實收-應(yīng)收觀測比”的下限設(shè)為95%;而對于o/slps,由于其閾值在國家標(biāo)準(zhǔn)[19]中并沒有明確給出,經(jīng)對被測站點全年o/slps值的統(tǒng)計分析可知該值主要分布區(qū)間為(0,30000),考慮該值越大越優(yōu)的特點,取該范圍內(nèi)最小的5%,即o/slps值小于1500為未達(dá)標(biāo)．具體情況如表1所示．

表1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)閾值

根據(jù)圖6統(tǒng)計分析,wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站三路獨立觀測數(shù)據(jù)的“實收-應(yīng)收觀測比”、o/slps、MP1與MP2的統(tǒng)計結(jié)果如圖6、圖7、表2所示．

圖6 參考站觀測數(shù)據(jù)完整率

根據(jù)圖6統(tǒng)計分析,wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站三路連續(xù)7天觀測數(shù)據(jù)的“實收-應(yīng)收觀測比”均超過99%,數(shù)據(jù)觀測完整程度較高且穩(wěn)定．僅wfai參考站的wfaip3路觀測數(shù)據(jù)的完整程度相對較低,說明數(shù)據(jù)中含有較多跳變．

根據(jù)表2所示的統(tǒng)計分析,wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站三路連續(xù)7天觀測數(shù)據(jù)的o/slps數(shù)值總體上大于閾值1500．僅在年積日21天,出現(xiàn)了wfai與wotz參考站三路觀測數(shù)據(jù)的o/slps值小于閾值的情況,之后o/slps值重新滿足了指標(biāo)評估要求．此現(xiàn)象的出現(xiàn),可能是由于環(huán)境干擾導(dǎo)致接收機(jī)發(fā)生了較多的周跳．

圖7 參考站觀測數(shù)據(jù)MP1/MP2統(tǒng)計

根據(jù)圖7的統(tǒng)計分析,四個參考站中僅wotz站的MP1統(tǒng)計值小于閾值上限,其余三個參考站的MP1統(tǒng)計值均大于閾值上限．但是,wfai、wzkc與wztl參考站的MP1統(tǒng)計值很穩(wěn)定,在連續(xù)7天的時間段內(nèi)幾乎未發(fā)生變化．由于多路徑的產(chǎn)生與參考站周邊的環(huán)境密切相關(guān),因此可以通過改善觀測環(huán)境來減小多路徑的MP1統(tǒng)計值．同時,四個參考站的MP2統(tǒng)計值均小于閾值上限．

2.3 監(jiān)測站多路徑相關(guān)性分析

利用監(jiān)測站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析生成ele、MP1與MP2文件,采用自主開發(fā)的程序(PlotMP12-OneWRS.m)對wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站3路數(shù)據(jù)之間的多路徑相關(guān)性進(jìn)行分析．

本文多路徑相關(guān)性的分析采用常用的皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算方法．皮爾遜相關(guān)系數(shù)法是一種準(zhǔn)確度量兩個變量之間的關(guān)系密切程度的統(tǒng)計學(xué)方法,其大小可以反映兩個變量間線性相關(guān)程度的強(qiáng)弱．對于變量A=[A1,A2, …,An]T,B=[B1,B2, …,Bn]T,皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算公式為[20-21]:

一般情況下,|r|≥0.8時,可視為高度相關(guān); 0.5≤|r|<0.8時,可視為中度相關(guān);0.3≤|r|<0.5時,可視為低度相關(guān);|r|<0.3時,說明兩個變量之間相關(guān)性極弱,可視為非相關(guān)[22]．

依據(jù)上述相關(guān)性計算方法,本文以wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站3路數(shù)據(jù)中所有衛(wèi)星的多路徑MP1和MP2為計算變量,分別統(tǒng)計了連續(xù)7天每天每個參考站3路數(shù)據(jù)每兩路之間多路徑MP1和MP2的相關(guān)系數(shù)平均值,具體結(jié)果如圖8和圖9所示．

圖8 MP1相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計

圖9 MP2相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計

根據(jù)圖8與圖9相關(guān)性統(tǒng)計分析可知,wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站3路數(shù)據(jù)每兩路之間所有衛(wèi)星多路徑MP1和MP2的相關(guān)系數(shù)的均值均小于0.1,滿足相關(guān)系數(shù)|r|<0.3的條件,說明SBAS參考站3路數(shù)據(jù)每兩路之間的多路徑非相關(guān)．

2.4 小 結(jié)

本節(jié)內(nèi)容以WAAS參考站實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對SBAS監(jiān)測站天線的分布、監(jiān)測站數(shù)據(jù)質(zhì)量以及監(jiān)測站多路徑相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計與分析,可以得出SBAS監(jiān)測站天線部署時,依據(jù)場地條件的限制,以銳角或直角三角形的構(gòu)型最佳,并盡可能地增加天線間的距離,使不同天線之間觀測數(shù)據(jù)多路徑非相關(guān)．同時,監(jiān)測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量也需要滿足相關(guān)閾值的限制．

3 結(jié) 論

本文以WAAS和EGNOS公布的系統(tǒng)信息以及實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用斯坦福大學(xué)網(wǎng)站提供的SGMP軟件,以及TEQC軟件對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算．通過上述的統(tǒng)計分析,得到適用SBAS監(jiān)測站構(gòu)成及部署的通用方法．具體如下:1) SBAS監(jiān)測站應(yīng)建設(shè)在機(jī)場內(nèi)部或附近區(qū)域,附近區(qū)域的距離以5 km為參考;2) SBAS監(jiān)測站應(yīng)配置3個獨立的衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集通道,每個通道包含1臺監(jiān)測接收機(jī)(含天線)、1臺計算機(jī)以及1臺原子鐘;3) SBAS監(jiān)測站的天線構(gòu)型應(yīng)采用銳角三角形或直角三角形,天線間的距離以9 m為參考;4) SBAS監(jiān)測站的環(huán)境應(yīng)使觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)滿足“實收-應(yīng)收觀測比”≥95%、o/slps大于等于1500、MP1≤0.5、MP2≤0.65閾值的限制;5) SBAS監(jiān)測站3路數(shù)據(jù)間多路徑相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計值應(yīng)小于0.1．上述方法可以作為新建SBAS中監(jiān)測站選址及核心設(shè)備配置的參考,為SBAS監(jiān)測站的建設(shè)提供有效的實施依據(jù)．