北斗單頻星基增強服務(wù)性能初步評估

徐沛寧，陳榮偉，張 靜，李 奇，耿長江，房成賀

北斗單頻星基增強服務(wù)性能初步評估

徐沛寧1，陳榮偉1，張 靜1，李 奇2，耿長江2，房成賀2

（1. 浙江公路水運工程咨詢有限責任公司，杭州 310006；2. 中國航天電子技術(shù)研究院 衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程中心，北京 100094）

針對北斗單頻星基增強服務(wù)（BDSBAS-B1C）實際服務(wù)性能指標尚不明確的問題，提出一種BDSBAS-B1C服務(wù)性能監(jiān)測評估方法：開發(fā)一套BDSBAS-B1C服務(wù)性能分析軟件；并結(jié)合2022年1—4月的觀測數(shù)據(jù)對BDSBAS-B1C的覆蓋范圍、可用性、連續(xù)性、定位精度和完好性等服務(wù)性能關(guān)鍵指標進行初步評估。結(jié)果表明，BDSBAS-B1C的I類垂直引導進近服務(wù)可用性和連續(xù)性在中國內(nèi)陸區(qū)域能夠達到99.99%以上，而在中國邊界區(qū)域會有所下降，水平定位精度約為1.1 m，高程定位精度約為2.1 m，較全球定位系統(tǒng)（GPS）標準定位提升了約46%和43%，評估期間沒有發(fā)生誤警、漏警事件。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）；星基增強；可用性；完好性；定位精度

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）星基增強系統(tǒng)（satellite based augmentation system，SBAS）是BDS的重要組成部分，能夠為中國及周邊地區(qū)的用戶提供BDSBAS-B1C單頻增強服務(wù)和BDSBAS-B2a雙頻多星座增強服務(wù)。BDSBAS的組成主要包括3顆地球靜止軌道（geostationary Earth orbit，GEO）衛(wèi)星、3個注入站、2個數(shù)據(jù)處理中心、1個運行控制站和27個監(jiān)測站。3顆GEO衛(wèi)星分布在80oE、110.5oE和140oE，監(jiān)測站均勻分布在中國境內(nèi)[1]。

目前，美國的廣域增強系統(tǒng)（wide area augmentation system，WAAS）、歐洲靜地軌道導航重疊服務(wù)（European geostationary navigation overlay service，EGNOS）、印度的全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）輔助地理增強導航系統(tǒng)（GPS aided GEO augmented navigation system，GAGAN）和日本的米奇比基衛(wèi)星增強系統(tǒng)（Michibiki satellite-based augmentation system，MSAS）已開始提供可應(yīng)用的星基增強（satellite based augmentation system，SBAS）服務(wù)[2]。俄羅斯、韓國、澳大利亞和非洲的SBAS正在開發(fā)之中[3-5]。2018年11月，第一顆北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)即北斗三號（BeiDou-3 navigation satellite system，BDS-3）GEO衛(wèi)星發(fā)射后，BDSBAS開始廣播空間信號。BDSBAS目前正在試運行狀態(tài)，任何用戶都可以免費使用BDSBAS信號來增強自身的定位精度和服務(wù)完好性。

斯坦福大學和歐洲航天局開發(fā)了一系列SBAS評估方法和工具[6]。文獻[7]針對BDSBAS設(shè)計了一套數(shù)據(jù)仿真平臺，用于模擬各類SBAS完好性故障。文獻[8]對中國地區(qū)SBAS的電離層特征和空間威脅進行了分析，并提出了建議的擬合模型。文獻[9]對BDSBAS服務(wù)等級與系統(tǒng)性能進行了仿真分析，并給出了根據(jù)不同航空完好性服務(wù)等級要求對BDSBAS系統(tǒng)的主要性能要求。文獻[10]對BDSBAS-B1C的覆蓋范圍進行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)服務(wù)可用性在中國邊境和沿海地區(qū)迅速劣化。文獻[11]分析了BDSBAS-B1C電文的播發(fā)類型及策略，并給出了所播發(fā)完好性參數(shù)對用戶等效測距誤差的包絡(luò)情況。

SBAS評估廣泛使用的關(guān)鍵性能指標包括可用性、連續(xù)性、定位精度和完好性。為了驗證和掌握BDSBAS系統(tǒng)的服務(wù)性能，需要持續(xù)對其開展監(jiān)測評估，供用戶參考。本文對BDSBAS-B1C的服務(wù)性能進行階段性評估。首先，對BDSBAS-B1C的廣播電文的播發(fā)內(nèi)容和播發(fā)間隔進行統(tǒng)計以評估系統(tǒng)的連續(xù)服務(wù)能力；其次根據(jù)BDSBAS-B1C廣播電文內(nèi)容計算水平保護等級（horizontal protection level，HPL）和垂直保護等級（vertical protection level，VPL）；然后計算可用性和連續(xù)性；并使用SBAS改正信息提高定位精度；最后，根據(jù)定位精度和保護等級評估誤導信息（misleading information，MI）事件。

1 評估方法

觀測站接收GPS廣播星歷結(jié)合BDSBAS-B1C電文中的快變改正數(shù)、慢變改正數(shù)和電離層格網(wǎng)改正數(shù)對GPS L1偽距觀測值和衛(wèi)星坐標進行修正，并使用BDSBAS-B1C電文中的協(xié)方差矩陣進行加權(quán)，可進行SBAS定位求解。參考坐標由BDS精密單點定位（precise point positioning，PPP）結(jié)果確定[13]。水平定位誤差（horizontal positioning error，HPE）和垂直定位誤差（vertical positioning error，VPE）由定位坐標和參考坐標之間求差獲得。

完好性可以用水平安全指數(shù)HPL/HPE和垂直安全指數(shù)VPL/VPE進行評估[14]。安全指數(shù)反映了定位結(jié)果的可靠性以及保護等級對定位誤差的包絡(luò)能力。如果該值低于1，則說明存在MI事件；若同時定位誤差超過了告警門限，則認為發(fā)生了危險誤導信息事件（hazardous misleading information，HMI）。若發(fā)生HMI，則須進一步評估告警時間。

2 評估結(jié)果與分析

此次評估的BDSBAS-B1C電文通過2臺合眾思壯NET20H接收機進行接收和解碼。評估軟件使用Visual C++和矩陣實驗室（matrix laboratory，MATLAB）編程軟件獨立開發(fā)完成。評估數(shù)據(jù)通過中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室測試評估研究中心的一個觀測站TAC1和國際全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）監(jiān)測評估系統(tǒng)（international GNSS monitoring and assessment system，iGMAS）的5個觀測站BJF1、WUH1、SHA1、XIA1、KUN1獲得。為了區(qū)別于BDSBAS系統(tǒng)自身的監(jiān)測站，本文統(tǒng)一將評估所使用的數(shù)據(jù)采集站點稱為觀測站。

評估觀測時間為2022-01-01—2022-04-30。這段時間內(nèi)的BDSBAS-B1C電文類型、數(shù)量統(tǒng)計、最大廣播間隔、APV-I超時門限和超時次數(shù)如表1所示。表1中，PRN（pseudo random noise）為偽隨機噪聲碼。正常情況下，3個GEO衛(wèi)星廣播的電文內(nèi)容相同。當1個GEO衛(wèi)星執(zhí)行維護工作時，它將僅播發(fā)類型0電文，接收機將自動切換到另一個GEO衛(wèi)星。

表1 2022年1—4月BDSBAS-B1C電文統(tǒng)計

在2022年1—4月期間，系統(tǒng)沒有發(fā)生電文超時事件。其中，電文0、1、7、10、18的內(nèi)容在整個觀測期間沒有發(fā)生變化，電文0表示BDSBAS處于試運行狀態(tài)，不可應(yīng)用于生命安全相關(guān)服務(wù)；電文1中的PRN掩碼為GPS PRN 1-32，由于PRN掩碼中不包含GEO衛(wèi)星，所以電文9、17不參與保護等級和定位精度的計算；電文25不帶有衛(wèi)星軌道鐘差長期改正速度項。

經(jīng)過評估，中國內(nèi)陸地區(qū)的服務(wù)可用性達到99.99%以上；僅有高緯地區(qū)的小部分區(qū)域（48°N，87°E附近）服務(wù)可用性低于85%，該區(qū)域可用性低的主要原因是高緯地區(qū)的電離層格網(wǎng)點（ionospheric grid point，IGP）的電離層改正數(shù)可用率不足。雖然電文18播發(fā)的IGP掩碼能夠覆蓋整個中國大陸地區(qū)，但邊境和沿海地區(qū)的IGP可用率并不高。如圖1所示，在85°E—95°E，25°N—45°N區(qū)間的IGP可用性均為100%，但在50°N下降至70%以下。連續(xù)性的計算以可用性作為輸入，APV-I服務(wù)連續(xù)性覆蓋范圍和可用性覆蓋范圍相似。整體上看中國區(qū)域低緯地區(qū)的可用性和連續(xù)性覆蓋優(yōu)于高緯地區(qū)，這是由于BDS星座特有的GEO衛(wèi)星增加了低緯地區(qū)的有效觀測值數(shù)量。

圖1 85°E—95°E，10°N—55°N區(qū)間的IGP可用性

表2所示為中國區(qū)6個觀測站BDSBAS-B1C的定位精度、可用性、連續(xù)性和最小安全指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。水平和垂直定位精度按HPE和VPE的95%置信度統(tǒng)計得到，6個觀測站的水平和垂直定位精度分別在0.9～1.8 m和1.8～2.4 m之間，平均值約為1.2和2.1 m，可用性和連續(xù)性均為100%，水平和垂直最小安全指數(shù)均大于1，說明評估期間沒有發(fā)生MI事件。其中位于上海的SHA1站的定位精度和最小安全指數(shù)最差，主要也是受到沿海地區(qū)IGP可用率不高的影響；同時評估期間上海地區(qū)還是電離層活躍帶，加劇了這種影響。

圖2顯示了2022-01-01 UTC 00:00:00—02:00:00期間，BDSBAS-B1C定位誤差和GPS標準單點定位（standard point positioning，SPP）定位誤差序列。UTC表示協(xié)調(diào)世界時（universal time coordinated）。圖中當日時間信息TOD（time of day）為從當日0點開始計的時間。與SPP相比，BDSBAS-B1C的水平定位精度提升了46%，垂直定位精度提升了43%。BDSBAS-B1C定位精度的提升源自于更加快速精確的軌道、鐘差和電離層改正參數(shù)以及協(xié)方差矩陣的加權(quán)參數(shù)，其中最主要的貢獻來自于BDSBAS廣播的格網(wǎng)電離層產(chǎn)品。文獻[15-17]中可以獲取其他單頻SBAS系統(tǒng)的定位精度水平：EGNOS的定位精度約為1.5 m；GAGAN的均方根定位誤差小于1.8 m；WAAS的定位精度為水平0.6 m，垂直1.3 m?？梢钥闯觯珺DSBAS-B1C的定位精度與國外的SBAS系統(tǒng)相當。

表2 BDSBAS-B1C的定位精度、可用性、連續(xù)性和最小安全指數(shù)統(tǒng)計

圖2 SPP和SBAS定位誤差對比

圖3顯示了SBAS性能分析的斯坦福圖[18]，其中包括TAC1和SHA1在2022-01-01—2022-01-31期間的2 678 400個歷元的定位精度和保護等級對比結(jié)果。斯坦福圖將定位結(jié)果劃分為正常、不可用、MI和HMI 4種情況：對角線之下的部分表示保護等級沒有能夠包絡(luò)住定位誤差，可能對用戶產(chǎn)生誤導；對角線之上的部分若HPL小于40 m、VPL小于50 m則為正常定位結(jié)果。圖3中，TAC1和SHA1的所有歷元定位結(jié)果均正常，沒有發(fā)生不可用事件和MI事件。TAC1的定位精度較高，SHA1由于位于沿海地區(qū)和電離層活躍地區(qū)，導致與TAC1相比定位誤差有所增加。

圖3 2022-01 TAC1和SHA1的斯坦福圖

3 結(jié)束語

BDSBAS-B1C的增強信息通過3顆BDS GEO衛(wèi)星進行廣播，在中國絕大部分區(qū)域的APV-I服務(wù)可用性達到99.99%以上，平均定位精度達到水平1.2、高程2.1 m，較GPS基本導航服務(wù)有了大幅提升；評估期間系統(tǒng)穩(wěn)定運行，沒有發(fā)生誤導、誤警事件。毫無疑問，BDSBAS-B1C為全球衛(wèi)星導航星基增強服務(wù)做出了重大貢獻。另一方面，由于目前BDSBAS的監(jiān)測站都分布在國內(nèi)，高緯邊界地區(qū)的IGP電離層改正參數(shù)可用性不高，未來或?qū)⑦m當增加中國邊界地區(qū)以及周邊國家的BDSBAS監(jiān)測站以進一步提升服務(wù)覆蓋范圍、可用性和完好性。

致謝：本文使用了iGMAS的觀測數(shù)據(jù)和計算資源。

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Preliminary performance analysis of BDSBAS-B1C over China

XU Peining1, CHEN Rongwei1, ZHANG Jing1, LI Qi2,GENG Changjiang2,FANG Chenghe2

（1. Zhejiang Highway & Water Transportation Engineering Consulting Corporation, Hangzhou 310006, China;2. GNSS Engineering Center, China Academy of Aerospace Electronics Technology, Beijing100094, China）

Aiming at the problem that the actual service performance of the BeiDou navigation satellite system (BDS) satellite based augmentation system B1C signal (BDSBAS-B1C) is not clear, the paper proposed a BDSBAS-B1C service performance monitoring and evaluation method: a set of BDSBAS-B1C service performance analysis software was developed; and the coverage, availability, continuity, positioning accuracy, integrity and other key indicators of BDSBAS-B1C service performance were preliminary evaluated in combination with the observation data from January to April 2022. Results showed that the availability and continuity of approach with vertical guidance type I service for BDSBAS-B1C could be greater than 99.99% in the interior regions of China, while be dropped in the Chinese border area; the horizontal and vertical positioning accuracy of BDSBAS-B1C would be approximately 1.1 and 2.1 m, which is about 46% and 43% better than the global positioning system (GPS) standard single point positioning, respectively. In addition, no false alarm or misleading information occurred during the evaluation period.

BeiDou navigation satellite system (BDS); satellite based augmentation; availability; integrity; positioning accuracy

徐沛寧, 陳榮偉, 張靜, 等. 北斗單頻星基增強服務(wù)性能初步評估[J]. 導航定位學報, 2023, 11(3): 90-95.（XU Peining, CHEN Rongwei, ZHANG Jing, et al. Preliminary performance analysis of BDSBAS-B1C over China[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 90-95.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230312.

P228

A

2095-4999(2023)03-0090-06

2022-09-09

浙江省交通運輸廳科技計劃項目（2021024，2021025，202211）。

徐沛寧（1971—），男，浙江杭州人，本科學歷，正高級工程師，研究方向為公路與城市道路衛(wèi)星導航應(yīng)用。