QZSS亞米級增強服務和MSAS增強定位性能評估

郝茂森，賈小林，曾 添，焦文海

(1.長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054；2.西安測繪研究所，西安 710054；3.信息工程大學地理空間信息學院，鄭州 450001；4.北京跟蹤通信技術研究所，北京 100094)

0 引言

準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)是由日本政府和企業(yè)聯(lián)合建立的新一代區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2018年11月1日，日本政府宣布QZSS正式運行。QZSS能夠獨立地為日本區(qū)域內的用戶提供定位、導航和授時(Posi-tioning, Navigation and Timing, PNT)服務，同時也包括其他服務，如亞米級增強服務(Sub-meter Level Augmentation Service，SLAS)、厘米級增強服務、災難和危機報告服務和QZSS安全確認服務等[1]。

星基增強系統(tǒng)(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)通過地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，從而實現用戶定位精度的提高。目前，全球已經建立起了多個SBAS，如美國的廣域增強系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System，WAAS)、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)(System for Differential Corrections and Monitoring，SDCM)、歐洲的地球同步衛(wèi)星導航增強服務系統(tǒng)(European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS)、日本的多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)(Multi-functional Satellite Augmentation System，MSAS)等，中國目前已經開始建設北斗星基增強系統(tǒng)(BDSBAS)。

不少專家學者對QZSS的SLAS和MSAS的星基增強系統(tǒng)進行了研究。樓益棟等分析了QZSS的L1-SAIF信號在中國區(qū)域的增強性能[2]，L1-SAIF能達到與SBAS相同的解算精度，用戶測距誤差(User Range Error，URE)約0.5m，定位解算平面精度在1m以內，高程精度約1.2m。張琳和江永生研究了QZSS的L1-SAIF信號增強全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)的性能，L1-SAIF信號能夠顯著提升GPS實時導航的精度[3-4]。劉翔等研究了WAAS和MSAS的增強定位性能，建議距離服務區(qū)遠的地方，電離層改正采用Klobuchar模型，軌道鐘差采用SBAS改正[5]。雷艷等研究了青島市北湖區(qū)的MSAS單點定位精度，MSAS對GPS單點定位具有一定的增強效果，且比較穩(wěn)定[6]。

但針對日本SLAS的研究仍然較少，SLAS和MSAS服務區(qū)內外的定位精度、服務區(qū)外的適用性仍需研究。本文主要介紹了日本的SLAS和MSAS，并利用實測數據對比分析了兩種定位增強服務在日本境內和中國及周邊地區(qū)的定位精度及其定位增強性能。

1 SLAS和MSAS

1.1 SLAS

SLAS在QZSS衛(wèi)星的L1頻段上調制L1S信號，中心頻率為1575.42MHz，頻率帶寬為24.0MHz，通過播發(fā)改正數對用戶定位精度進行增強。播發(fā)協(xié)議采用RTCA協(xié)議，傳輸速率為250bit/s，信息儲存在專屬于L1S信號的SBAS信息類型(MT43-44，47-51)中，信息類型如表1所示[7]。每則電文包含前8bit的前導碼、6bit的電文類型標識、212bit的數據塊及24bit的循環(huán)冗余校驗碼(Cyclical Redundancy Check, CRC)。L1S電文可在QZSS官方網站(https://sys.qzss.go.jp/dod/en/archives/slas.html)下載。

表1 L1S 信息類型

信息類型(Message Type，MT)43和44的內容為災難和危機報告信息;MT47為日本境內設置的13個地面監(jiān)測站的信息，不同的監(jiān)測站觀測并生成差分信息上傳至QZSS衛(wèi)星，以供日本境內及其周邊地區(qū)的用戶使用;MT48為衛(wèi)星的PRN掩碼信息，通過PRN掩碼可以確認該時刻能夠被增強衛(wèi)星的PRN號;MT49為MT48對應的衛(wèi)星的IOD號;MT50為MT47中13個監(jiān)測站上傳的差分信息，不同監(jiān)測站上傳的差分信息不同,在進行SLAS定位時，需要用戶選擇距離最近的監(jiān)測站的差分信息進行改正;MT51為衛(wèi)星健康狀況信息，一般情況下不播發(fā)，當接收到該信息類型時，需要根據信息內容排除相應的不健康衛(wèi)星。

1.2 MSAS

MSAS由日本民航局負責建設，是基于2顆多功能衛(wèi)星的GPS星基增強系統(tǒng)，于2007年9月27日正式運行[8-9]。MSAS空間段由2顆GEO衛(wèi)星組成，衛(wèi)星信息如表2所示，地面段由2個主控站、6個地面監(jiān)測站和2個監(jiān)測及距離修正站組成。

表2 MSAS衛(wèi)星信息

MSAS電文形式采用RTCA協(xié)議，通過GEO衛(wèi)星播發(fā)完好性及差分信息。電文傳輸速率為250bit/s，每則電文包含前8bit的前導碼、6bit的電文類型標識、212bit的數據塊及24bit的循環(huán)冗余校驗碼[10]。MSAS主要電文內容如表3所示，可在網站(https://www.enri.go.jp/cnspub/sat/data/msg/)下載。

表3 MSAS電文信息

2 SLAS和MSAS的改正算法

2.1 SLAS的改正算法

SLAS是對偽距進行改正，然后使用改正后的偽距進行定位。

1)對觀測值進行載波相位平滑偽距

采用式(1)進行載波相位平滑偽距[11]，進行周跳探測但并不修復，遇到周跳則重新濾波

(1)

式中，Pn為預測偽距；PR為觀測值偽距；Ps為載波平滑后的偽距；α為權重因子。

2)MT50差分信息的使用

(2)

(3)

式中，ri為用戶到衛(wèi)星的幾何距離；dtsi和dtri分別為衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差。

采用最小二乘法計算用戶位置S為

S=(GT·W·G)-1·GT·W·dPcorrected

(4)

(5)

式(5)中，W為權陣；G為觀測矩陣。其中方差與用戶到監(jiān)測站的距離有關，如式(6)所示

(6)

2.2 MSAS的改正算法

MSAS的改正主要包括衛(wèi)星位置改正、衛(wèi)星鐘差改正和電離層延遲改正[12-13]。

1) 衛(wèi)星位置改正

(7)

2) 衛(wèi)星鐘差改正

根據SBAS電文中衛(wèi)星鐘差的差分信息修正t時刻廣播星歷得到的衛(wèi)星鐘差dt，得到改正后的衛(wèi)星鐘差dtcorr。設Δtfast為差分信息中的鐘差快改正量，Δtf0和Δtf1為鐘差慢改正量，則t時刻的改正后的衛(wèi)星鐘差為

dtcorr=dt+Δtfast+(Δtf0+Δtf1(τ-t))

(8)

3) 電離層延遲改正

SBAS的電離層延遲改正采用電離層格網改正法進行改正。

3 算例分析

為評估SLAS和MSAS的增強定位性能，選取了不同地區(qū)的測站進行評估。分別選取了兩種增強服務2019年年積日90～96天的增強電文，以及對應天數的國際GNSS服務組織(International GNSS Service，IGS)廣播星歷，實驗所用測站位置及兩種增強服務服務范圍如圖1所示。

圖1 SLAS和MSAS服務范圍及實驗測站分布Fig.1 SLAS and MSAS service areas and distribution of experimental stations

3.1 日本境內增強服務對比

選取日本境內的5個MGEX測站(AIRA、STK2、TSK2、USUD、MIZU)年積日90～96天的觀測數據。為比較增強性能，選取測站的GPS單點定位精度作為參考，統(tǒng)計SLAS和MSAS的增強效果，三種解算方案如表4所示。對5個測站按表4解算方案進行了事后7天的處理，以IGS當天的SINEX文件中的坐標作為真實值，對三種方案的定位結果進行了水平和高程方向上的偏差統(tǒng)計。

表4 三種實驗解算方案

圖2給出了年積日91天AIRA測站三種方案下的可視衛(wèi)星數和位置精度因子(Position Dilution of Precision，PDOP)。SLAS和MSAS的可視衛(wèi)星數與單點定位的可視衛(wèi)星數相當，PDOP值三者之間變化很小，說明SLAS和MSAS能夠充分利用日本境內的可視衛(wèi)星進行增強服務，減少了衛(wèi)星資源的浪費，且服務穩(wěn)定，沒有出現較大的增強信號中斷現象。圖2的SBAS定位方式中，可以看到剛開始可視衛(wèi)星數較少且PDOP值較高，主要原因是實驗采用的MSAS電文前幾十秒的電文缺失，造成前幾個歷元衛(wèi)星數量減少。圖3給出了年積日91天AIRA測站三種方案在水平和高程方向上的定位結果偏差。增強過后兩種服務的定位誤差圖更加穩(wěn)定，水平和高程方向上的波動減小，定位精度明顯提升。SLAS增強效果相對更加明顯，水平方向偏差在1.5m以內，高程方向在3m以內；MSAS增強效果相對SLAS稍差，水平方向偏差在1.8m以內，高程方向在3m以內。

表5給出了實驗測站三種方案的定位精度均方根(Root Mean Square，RMS)和95%置信水平的統(tǒng)計結果。在日本境內，SLAS和MSAS都能夠明顯增強定位性能，但前者對定位性能的提升效果更好，水平定位精度RMS從1.14m提升到0.55m，高程定位精度從3.44m提升到0.9m，提升率分別達到51.8%和73.8%；MSAS相對SLAS增強效果略差，水平定位精度RMS從1.14m提升到0.69m，高程定位精度從3.44m提升到約0.97m，提升率分別達到39.8%和71.8%。SLAS融合多種誤差(衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層誤差、對流層)后的差分改正信息能夠更好地改正各種誤差，取得更優(yōu)的定位性能。

圖2 年積日91天AIRA站可見衛(wèi)星數及PDOP值Fig.2 Number of visible satellites and PDOP values of the AIRA station on DOY 91

圖3 年積日91天AIRA站定位精度Fig.3 Positioning accuracy of AIRA station on DOY 91

表5 日本境內5個測站7天的定位精度

3.2 中國及周邊地區(qū)增強服務對比

選取中國及周邊地區(qū)的3個IGS測站(DAEJ、CHAN、BJFS)年積日90～96天的觀測數據。以選取測站的GPS單點定位解作為參考，統(tǒng)計SLAS和MSAS的增強效果，三種解算方案與表4一致。

圖5、圖6、圖7所示分別為DAEJ、CHAN、BJFS這3個測站年積日91天的三種方案的定位殘差圖。從圖中可以看出，SLAS增強后的定位精度與用戶和服務覆蓋范圍的距離有關，離SLAS服務范圍越近，精度提升越明顯，反之精度提升變弱；當超過一定距離時，甚至會降低單點定位的精度。MSAS增強效果比較穩(wěn)定，但是依然存在距離MSAS中心服務區(qū)越遠提升越弱的現象。圖4所示為DAEJ、CHAN、BJFS這3個測站年積日91天的可見衛(wèi)星數和PDOP值，SLAS受距離影響十分明顯，可見衛(wèi)星數明顯下降，PDOP值明顯升高，這與這3個測站的定位精度提升變弱的結論一致。MSAS同樣也受到影響，不過影響相對較小，依然能夠較好地保持定位增強性能，但相比日本地區(qū)的測站，定位增強性能明顯下降。

圖4 年積日91天3個測站可見衛(wèi)星數及PDOP值Fig.4 Number of visible satellites and PDOP values of three station on DOY 91

圖5 年積日91天DAEJ站定位精度Fig.5 Positioning accuracy of DAEJ station on DOY 91

圖6 年積日91天CHAN站定位精度Fig.6 Positioning accuracy of CHAN station on DOY 91

圖7 年積日91天BJFS站定位精度Fig.7 Positioning accuracy of BJFS station on DOY 91

表6給出了中國及周邊地區(qū)實驗7天剔除粗差后的定位精度RMS統(tǒng)計結果。SLAS相對于單點定位結果，水平方向精度RMS出現負提升現象，隨測站變化逐漸由1.41m到3.10m，負提升越來越明顯；高程方向精度RMS有一定提升，但隨測站變化逐漸由0.86m到3.05m，提升率越來越小；三維方向RMS隨測站位置發(fā)生變化提升越來越小，直到BJFS站轉化為負提升-17.1%。MSAS相對于單點定位結果，在水平、高程和三維方向都呈現出增強現象，但是依然隨測站位置變化增強性能逐漸下降。統(tǒng)計RMS精度，水平方向精度由0.68m降至1.24m，高程方向精度由1.01m降至1.80m，三維方向精度由1.21m降至2.18m，提升率由67.3%降至41.2%。

在中國及周邊地區(qū)，MSAS和SLAS的增強定位性能與測站離MSAS和SLAS中心服務區(qū)的距離有關，都存在離MSAS和SLAS中心服務區(qū)越遠定位增強性能越弱的現象。這是因為在中國及周邊地區(qū)距離日本國內的監(jiān)測站較遠，SLAS的差分信息由日本境內的監(jiān)測站生成，主要適應于日本境內，在中國及周邊地區(qū)可見衛(wèi)星數明顯減少，導致其可用性下降，繼續(xù)使用會存在誤差，從而影響定位增強效果，甚至出現負提升現象。同樣MSAS的可見衛(wèi)星數也明顯小于單點定位可見衛(wèi)星數，但可見衛(wèi)星數量高于SLAS，同時距離原因也會引起MSAS的電離層校正精度逐漸下降，導致MSAS的定位增強性能逐漸降低，但MSAS的增強性能依然優(yōu)于SLAS的增強性能。

表6 中國及周邊地區(qū)3個測站7天的定位精度

4 結論

本文主要對日本的SLAS和MSAS在日本、中國及周邊地區(qū)的定位增強性能進行了評估。結果表明：

1)在日本境內，SLAS和MSAS均能夠明顯實現定位增強效果，但使用SLAS進行定位增強效果更好，增強后水平和高程方向的定位精度分別達到0.55m和0.9m，提升率分別為51.8%和73.8%。

2)在中國及周邊地區(qū)，使用MSAS進行定位增強效果更好，但要求離服務區(qū)越近越好，增強后水平和高程方向的定位精度約0.95m和1.44m，提升率約為15.8%和59.2%；使用SLAS也能增強定位效果，但提升效果較小，當測站離中心服務區(qū)超過一定距離后，甚至會出現定位增強負提升的情況。

3)試驗結果表明，SLAS在中國及周邊地區(qū)的適用性下降，同時也驗證了SLAS的服務范圍；MSAS在中國及周邊地區(qū)的增強性能下降。

目前，我國正在建設區(qū)域增強服務和BDSBAS，評估了SLAS和MSAS在服務區(qū)內外的增強性能和適用性對我國未來的區(qū)域增強服務建設及BDSBAS建設具有一定的參考和借鑒意義。