BDS空间信号的连续性和可用性评估_马下平.pdf

第 11 卷 第 2 期 导航定位学报 Vol.11，No.2 2023 年 4 月 Journal of Navigation and Positioning Apr.，2023 引文格式：马下平,张奇超,贺小星,等.BDS 空间信号的连续性和可用性评估J.导航定位学报,2023,11(2):21-27.（MA Xiaping,ZHANG Qichao,HE Xiaoxing,et al.Continuity and availability assessment of BDS signal in spaceJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(2):21-27.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230203.BDS 空间信号的连续性和可用性评估 马下平1，张奇超1，贺小星2，严 丽3，秦永彪4，冯 超4（1.西安科技大学 测绘科学与技术学院，西安 710054；2.江西理工大学 土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000；3.江西省防震减灾与工程地质灾害探测工程研究中心（江西省地震局），南昌 330013；4.河北省水利工程局集团有限公司，石家庄 050021）摘要：为了及时评估北斗卫星导航系统（BDS）的空间信号（SIS）可用性和连续性，采用 2020-10-01 至 2021-10-01共 1 a 的 BDS 广播星历数据，对 BDS 中的地球静止轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和中圆地球轨道卫星（MEO）3 类卫星进行了可用性和连续性评估。结果表明：3 类卫星的单星可用性最优为 0.993，平均可用性达到 0.991，但也存在如 C07、C14 号卫星的可用性未达到预期标准（0.98）的现象；SIS 的连续性评估中，除个别卫星未达到规范的标准要求外，指数模型和滑窗算法计算的 GEO 卫星达到 0.995，IGSO 和 MEO 均达到 0.998；指数模型计算的 BDS 中GEO、IGSO 和 MEO 卫星的平均连续性分别为 0.997 29、0.999 26、0.999 58，而滑窗算法计算得到的平均连续性分别为0.996 27、0.999 17、0.999 39，2 种方法计算的 BDS 3 类卫星的整体连续性分别为 0.999 14 和 0.998 85，指数模型较滑窗算法计算的 SIS 连续性偏差不大，与全球定位系统（GPS）相比存在一定差距，总体达到系统设计的指标要求。最后对比分析指数模型算法与滑窗算法，验证了指数模型可用于短期连续性统计。关键词：北斗卫星导航系统（BDS）；可用性；连续性；计划中断；空间信号（SIS）中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)02-0021-08 Continuity and availability assessment of BDS signal in space MA Xiaping1,ZHANG Qichao1,HE Xiaoxing2,YAN Li3,QIN Yongbiao4,FENG Chao4(1.School of Geomatics,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;2.School of Environment and Spatial Informatics,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou,Jiangxi 341000,China;3.Engineering Research Center for Seismic Disaster Prevention and Engineering Geological Disaster Detection of Jiangxi Province(Earthquake Administration of Jiangxi Province),Nanchang 330013,China;4.HeBei Water Conservancy Engineering Bureau Group Limited,Shijiazhuang 050021,China)Abstract：In order to evaluate the availability and continuity of signal in space(SIS)for BeiDou navigation satellite system(BDS)in time,the paper used the BDS broadcast ephemeris data of one year from October 1,2020 to October 1,2021 to analyze and evaluate the availability and continuity of three types of satellites including geostationary Earth orbit(GEO)satellites,inclined geo-synchronous orbits(IGSO)satellites and medium Earth orbit(MEO)satellites in BDS.Results showed that the single-satellite availability of the three types of satellites would be the best 0.993 and the average 0.991,however,the availability of some 收稿日期：2022-06-04 基金项目：国家重点研究发展计划项目（2016YFB0502102）；国家自然科学基金项目（41904171，42104023）；上海市空间导航与定位技术重点实验室项目（201913）；江西理工大学高层次人才科研启动项目（205200100564）；江西数字国土重点实验室开放基金项目（DLLJ202203）。第一作者简介：马下平（1984），甘肃宁县人，博士，副教授，硕士研究生导师，研究方向为 GNSS 大地测量数据处理与完备性监测。通信作者简介：张奇超（1999），男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向为 GNSS 数据处理。22 导航定位学报 2023 年 4 月 satellites,such as C07 and C14,did not reach the expected standard(0.98);in SIS continuity assessment,GEO satellites calculated by exponential model and sliding window algorithm reached 0.995 standard,IGSO and MEO both reached 0.998 standard,except that some satellites did not meet the standard requirements of the specification;the average continuity of GEO,IGSO and MEO satellites in the BDS calculated by the exponential model would be 0.997 29,0.999 26 and 0.999 58,respectively,while the average continuity calculated by the sliding window algorithm would be 0.996 27,0.999 17 and 0.999 39,respectively,and the overall continuity of the three types of satellites in the BDS calculated by the two methods woud be 0.999 14 and 0.998 85,respectively,indicating that the SIS continuity calculated by exponential model had little deviation from that by sliding window algorithm,which could meet the overall index requirements of the system design,although there woule be a certain gap compared with global positioning system(GPS).Finally,the exponential model algorithm and the sliding window algorithm were comparatively analyzed,and it was verified that the exponential model could be used for short-term continuity statistics.Keywords:BeiDou navigation satellite system(BDS);availability;continuity;planned interruption;signal in space(SIS)0 引言 北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）于 2020 年底组网成功1，累计共发射 55 颗，7 颗卫星在轨测试，开始为全球提供定位、导航和授时服务。BDS 提供服务以来，已经在交通运输、救灾减灾等方面广泛应用，其服务监测性能收到广泛关注。空间信号（signal in space，SIS）可用性是指 BDS 卫星在预定轨道上提供正确状态的空间信号的概率；SIS 连续性是指一个“健康”状态的公开服务信号在规定时间段不发生非计划中断而持续工作的概率。SIS 可用性是对系统工作性能概率的度量，SIS 连续性反映的是卫星导航系统持续提供服务的能力2；因此，评估 BDS SIS 可用性和连续性至关重要。文献3给出了 BDS 空间信号可用性评估模型和统计步骤，在 BDS 未建设完全情况下，初步评估了 SIS 可用性；文献4提出了一种基于马尔科夫过程的卫星导航单星可用性计算模型，但该模型需要大量数据支撑，并不适用于 BDS；文献5-6基于可靠性理论给出了单颗卫星空间信号连续性计算方法；文献7针对指数分布的方法不能很好地描述全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）SIS 的失效特征，提出了一种基于威布尔分布的 GNSS SIS 连续性评价方法；文献8通过调整滑窗算法窗口所跨时段和单次中断持续时间，提高了滑窗算法的准确性；文献 9评估了全球定位系统（global positioning system，GPS）空间信号连续性，并验证了连续性模型可用于评估 BDS；文献10-11根据卫星的实际运行状态分析卫星的各种故障，得出 BDS 的 SIS 可用性和连续性。以上文献大多是对 GNSS 性能评估，针对 BDS可用性和连续性的研究成果很少。2021 年 5 月发布的北斗卫星导航系统公开服务性能规范 3.0（BeiDou navigation satellite system open service performance standard(version 3.0),BDS-OS-PS 3.0）中规定了可用