北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）的星座可用性分析

■李尉華

（長安大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院陜西西安710054）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）的星座可用性分析

■李尉華

（長安大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院陜西西安710054）

隨著導(dǎo)航技術(shù)取得的大量新進展，導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度已能滿足大多數(shù)需求，但其保障動態(tài)用戶的完好性還遠遠不能滿足實際需求。在確保精度滿足要求的條件下，為使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)真正成為民用航空導(dǎo)航可用的單一導(dǎo)航系統(tǒng)，還需對可用性、連續(xù)性和完好性性能進行評估。本文利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣播星歷和實測的偽距觀測值，仿真計算北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在中國區(qū)域內(nèi)的RAIM（接收機自體完好性監(jiān)控）可用性，分析其所能達到哪些航空進近階段的完好性需求，以期為導(dǎo)航定位用戶提供北斗衛(wèi)星星座可用性方面的參考。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用性RAIM

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國第一個自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它的開發(fā)，旨在為我國提供開放、獨立、兼容且穩(wěn)定性可靠的全球范圍內(nèi)的精密定位服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自2011年12月27日起，開始為我國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導(dǎo)航定位和授時服務(wù)，綜合各項研究進度與已有成果，北斗系統(tǒng)有望在2020年左右提供全球范圍內(nèi)的連續(xù)導(dǎo)航定位和授時服務(wù)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性直接關(guān)系著導(dǎo)航用戶，特別從導(dǎo)航用戶安全角度考慮時，導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性的重要性有著與精度同等重要的意義。因此，在保證北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋性能、導(dǎo)航定位精度的前提下，對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機自主完好性的研究是十分必要的。

1　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分為空間段、地面段和用戶接收機三部分?？臻g段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，其中非靜止軌道衛(wèi)星由27顆中地球軌道衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星組成；地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等；用戶接收機包括各類北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。北斗用戶機兼有GPS、GLONASS、GALILEO的功能。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他幾個全球?qū)Ш较到y(tǒng)，如GPS、GLONASS、GALILEO等，重要區(qū)別在于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間星座是由三種不同軌道性質(zhì)的衛(wèi)星組成。系統(tǒng)完整建成后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能將有望超越現(xiàn)有的GPSII系統(tǒng)。現(xiàn)階段其定位精度為10m，測速精度0.2m/s，授時精度10ns。在北斗二期工程完成之后，服務(wù)范圍向全球擴展，導(dǎo)航定位精度將有所提高，全球區(qū)域可達到水平5m，高程8m。

2　接收機自主完好性監(jiān)測

2.1RAIM算法

接收機自主完好性監(jiān)測（RAIM），即獨立冗余內(nèi)存陣列，它是根據(jù)用戶接收機的多余觀測值監(jiān)測用戶定位結(jié)果的完好性，其作用是在各導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航過程中檢測出故障衛(wèi)星的同時保障導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。一般要求可見衛(wèi)星數(shù)達到5顆以上才可進行完好性檢測，可見衛(wèi)星數(shù)達到6顆以上才可能辨識出故障衛(wèi)星。RAIM算法對于安全性有嚴格要求的應(yīng)用非常重要，如民航、航空等。

目前應(yīng)用較好的RAIM算法包括最小二乘殘差法、偽距比較法和奇偶矢量法。其中，最小二乘法應(yīng)用最為廣泛。最小二乘法在定位解算的同時可對最小二乘殘差作粗差探測，最為簡便、直觀。該算法具有以下特點：

（1）僅利用當前時刻的數(shù)據(jù)進行自主完好性監(jiān)測。

（2）該算法是假設(shè)導(dǎo)航系統(tǒng)在同一時刻只有一顆故障星的情況下進行檢測和剔除，若在該導(dǎo)航系統(tǒng)中同時出現(xiàn)兩顆或兩顆以上的故障衛(wèi)星，則RAIM無法剔除故障星，只能給出警告。

（3）可見衛(wèi)星數(shù)達到5顆以上就能用來進行完好性監(jiān)測，但只能用于單一導(dǎo)航系統(tǒng)故障星檢測，若要剔除故障衛(wèi)星必須觀測6顆以上衛(wèi)星，而且衛(wèi)星數(shù)越多，檢測效果越好。

2.2算例分析

本文采用2012年5月1號BDS廣播星歷brdc1220.12c文件，進行RAIM算法的仿真計算分析。以滿足LPV（垂直引導(dǎo)的橫向精密進近）飛行航段HPL＜HAL=40m、VPL＜VAL=50m的判斷系統(tǒng)可用性的條件。結(jié)果顯示在單BDS星座下，我國本土范圍內(nèi)大部分地區(qū)用戶在95%時間里80m＜VPL（垂直定位誤差保護級別）＜150m，HPL（水平定位誤差保護級別）＜250m。根據(jù)GNSS用于導(dǎo)航各類進近階段的性能要求可知，北斗只能滿足非精密進近階段的完好性要求。

3　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用性分析

導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性是指該導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)可以使用的時間百分比。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用性分析一般采用格網(wǎng)法，即按一定采樣間隔在每一格網(wǎng)點取一定觀測時間段分別確定是否可用，然后對所有地面格網(wǎng)點的所有采樣時刻的可用性結(jié)果進行統(tǒng)計，得到系統(tǒng)可用性。網(wǎng)格的劃分通常可采用兩種方法：等經(jīng)緯度劃分法和等面積劃分法。

為分析衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用性，需要獲取用于衛(wèi)星導(dǎo)航仿真系統(tǒng)可用性分析的原始數(shù)據(jù)，在獲取原始數(shù)據(jù)之前，對其算法和配置模型試驗的試驗是必要的。算法包括確定性方法和隨機性方法。根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的獨特體系特點，可按照空間段、用戶段、地面段和環(huán)境段建立仿真模型框架。

4　結(jié)論

針對接收機自主完好性監(jiān)測的最小二乘殘差法，利用北斗廣播星歷具體數(shù)據(jù)對RAIM算法進行分析，比較了水平定位誤差保護級別HPL與水平告警限值HAL以及垂直定位誤差保護級別VPL與垂直告警限值VAL，結(jié)果顯示HPL＜HAL，VPL＜VAL，表明RAIM算法可用，但北斗僅能滿足非精密進近階段的完好性要求。需要說明的是，本文只考慮了單故障衛(wèi)星情況，同時對各星座狀態(tài)概率只采用了先驗值，而顯然不同的是，星座狀態(tài)概率會影響平均服務(wù)可用性，而且隨著多系統(tǒng)的融合，接收機可接收多模衛(wèi)星信號。

通過以上對其算法的介紹和分析可以看到，該類方法也存在一些明顯的局限性，比如可見衛(wèi)星數(shù)目要求較多等等。隨著多系統(tǒng)的融合，接收機可接收多模衛(wèi)星信號，可以使用雙星或多星的RAIM算法對接收機的完好性進行監(jiān)測。

［1］楊傳森，徐肖豪，劉瑞華.基于總體最小二乘法的RAIM算法模型改進 ［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，09：1354-1357.

［2］郁聰沖，邊少鋒.現(xiàn)階段北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用性分析 ［J］.海洋測繪，2012，05：74-76.

［3］胡曉粉，董緒榮，劉亞濤，張沖.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能指標分析 ［J］.現(xiàn)電子技術(shù)，2013，11：16-18.

［4］贠敏，葛榜軍.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及應(yīng)用 ［J］.衛(wèi)星應(yīng)用，2012，05：19-23.

P2［文獻碼］ B

1000-405X（2016）-8-228-1

李尉華（1995～），女，回族，研究方向為大地測量學(xué)與測量工程。