北斗单频星基增强服务性能初步评估.pdf

第 11 卷 第 3 期 导航定位学报 Vol.11，No.3 2023 年 6 月 Journal of Navigation and Positioning Jun.，2023 引文格式：徐沛宁,陈荣伟,张静,等.北斗单频星基增强服务性能初步评估J.导航定位学报,2023,11(3):90-95.（XU Peining,CHEN Rongwei,ZHANG Jing,et al.Preliminary performance analysis of BDSBAS-B1C over ChinaJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(3):90-95.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230312.北斗单频星基增强服务性能初步评估 徐沛宁1，陈荣伟1，张 静1，李 奇2，耿长江2，房成贺2（1.浙江公路水运工程咨询有限责任公司，杭州 310006；2.中国航天电子技术研究院 卫星导航系统工程中心，北京 100094）摘要：针对北斗单频星基增强服务（BDSBAS-B1C）实际服务性能指标尚不明确的问题，提出一种 BDSBAS-B1C 服务性能监测评估方法：开发一套 BDSBAS-B1C 服务性能分析软件；并结合 2022 年 14 月的观测数据对 BDSBAS-B1C的覆盖范围、可用性、连续性、定位精度和完好性等服务性能关键指标进行初步评估。结果表明，BDSBAS-B1C 的 I 类垂直引导进近服务可用性和连续性在中国内陆区域能够达到 99.99%以上，而在中国边界区域会有所下降，水平定位精度约为 1.1 m，高程定位精度约为 2.1 m，较全球定位系统（GPS）标准定位提升了约 46%和 43%，评估期间没有发生误警、漏警事件。关键词：北斗卫星导航系统（BDS）；星基增强；可用性；完好性；定位精度 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)03-0090-06 Preliminary performance analysis of BDSBAS-B1 1C 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,Beijing 100094,China）Abstract：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.Keyword:BeiDou navigation satellite system(BDS);satellite based augmentation;availability;integrity;positioning accuracy 0 0 引言 北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）星 基 增 强 系 统（satellite based augmentation system，SBAS）是 BDS 的重要组成部 分，能 够 为 中 国 及 周 边 地 区 的 用 户 提 供BDSBAS-B1C 单频增强服务和 BDSBAS-B2a 双频多星座增强服务。BDSBAS 的组成主要包括 3 颗地球静止轨道（geostationary Earth orbit，GEO）卫星、3 个注入站、2 个数据处理中心、1 个运行控 收稿日期：2022-09-09 基金项目：浙江省交通运输厅科技计划项目（2021024，2021025，202211）。第一作者简介：徐沛宁（1971），男，浙江杭州人，本科学历，正高级工程师，研究方向为公路与城市道路卫星导航应用。第 3 期 徐沛宁，等.北斗单频星基增强服务性能初步评估 91 制站和 27 个监测站。3 颗 GEO 卫星分布在 80E、110.5E 和 140E，监测站均匀分布在中国境内1。目 前，美 国 的 广 域 增 强 系 统（wide area augmentation system，WAAS）、欧洲静地轨道导航重 叠 服 务（European geostationary navigation overlay service，EGNOS）、印度的全球定位系统（global positioning system，GPS）辅助地理增强导航 系 统（GPS aided GEO augmented navigation system，GAGAN）和日本的米奇比基卫星增强系统（Michibiki satellite-based augmentation system，MSAS）已开始提供可应用的星基增强（satellite based augmentation system，SBAS）服务2。俄罗斯、韩国、澳大利亚和非洲的 SBAS 正在开发之中3-5。2018 年 11 月，第一颗北斗三号全球卫星导航系 统即北斗三 号（BeiDou-3 navigation satellite system，BDS-3）GEO 卫星发射后，BDSBAS 开始广播空间信号。BDSBAS 目前正在试运行状态，任何用户都可以免费使用 BDSBAS 信号来增强自身的定位精度和服务完好性。斯 坦 福 大 学 和 欧 洲 航 天 局 开 发 了 一 系 列SBAS 评估方法和工具6。文献7针对 BDSBAS设计了一套数据仿真平台，用于模拟各类 SBAS 完好性故障。文献8对中国地区 SBAS 的电离层特征和空间威胁进行了分析，并提出了建议的拟合模型。文献9对 BDSBAS 服务等级与系统性能进行了仿真分析，并给出了根据不同航空完好性服务等级要求对 BDSBAS 系统的主要性能要求。文献10对 BDSBAS-B1C 的覆盖范围进行了仿真分析，发现服务可用性在中国边境和沿海地区迅速劣化。文献11分析了 BDSBAS-B1C 电文的播发类型及策略，并给出了所播发完好性参数对用户等效测距误差的包络情况。SBAS 评估广泛使用的关键性能指标包括可用性、连续性、定位精度和完好性。为了验证和掌握 BDSBAS 系统的服务性能，需要持续对其开展监测评估，供用户参考。本文对 BDSBAS-B1C 的服务性能进行阶段性评估。首先，对 BDSBAS-B1C的广播电文的播发内容和播发间隔进行统计以评估系统的连续服务能力；其次根据 BDSBAS-B1C广 播 电 文 内 容 计 算 水 平 保 护 等 级（horizontal protection level，HPL）和垂直保护等级（vertical protection level，VPL）；然后计算可用性和连续性；并使用 SBAS 改正信息提高定位精度；最后，根据定位精度和保护等级评估误导信息（misleading information，MI）事件。1 评估方法 文献12给出了 BDSBAS-B1C 信号特征说明，在 BDSBAS-B1C 中，为了保证卫星定位结果的可靠性，需要在定位之前使用导航星历和 SBAS电文对可能的定位误差范围进行预估，得到 HPL和 VPL。可用性指标以用户能够使用 BDSBAS-B1C 进行增强定位（能够观测到 4 颗或更多可用卫星）且 HPL 和 VPL 均低于相应报警门限的历元数量百分比来衡量。根据国际民用航空组织规定，如果 HPL 不超过 40 m 并且 VPL 不超过 50 m，则说明 I 类垂直引导进近（approach with vertical guidance type I，APV-I）服务可用，否则服务不可用。在一段时间内以 1 Hz 采样的 APV-I 可用性ap的计算公式为 esaesbool()bool()bool()=1+ttttt thvnptt=40504-（1）式中：st和et为观测开始时间和结束时间；th、tv和tn分别为时刻t的 HPL、VPL 和可用卫星数；bool()为布尔函数，当满足括号内不等式条件时为1，否则为 0；符号表示逻辑与。服务连续性风险是指服务中断概率。连续性和可用性的区别之处在于，一系列时间连续的不可用事件将被视为同一个服务中断事件。连续性指标cp的计算公式为 ces=11+zptt（2）式中z为服务中断事件发生的次数。观测站接收GPS广播星历结合BDSBAS-B1C电文中的快变改正数、慢变改正数和电离层格网改正数对GPS L1 伪距观测值和卫星坐标进行修正，并使用BDSBAS-B1C电文中的协方差矩阵进行加权，可进行SBAS定位求解。参考坐标由BDS精密单点定位（precise point positioning，PPP）结果确定13。水平定位误差（horizontal positioning error，HPE）和垂直定位误差（vertical positioning error，VPE）由定位坐标和参考坐标之间求差获得。完好性可以用水平安全指数HPL/HPE和垂直安全指数VPL/VPE进行评估14。安全指数反映了定位结果的可靠性以及保护等级对定位误差的包络能