星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）用戶(hù)端定位算法設(shè)計(jì)

韋建成，張 睿，雷哲哲，韓 笑

星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）用戶(hù)端定位算法設(shè)計(jì)

韋建成，張 睿，雷哲哲，韓 笑

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

星基增強(qiáng)系統(tǒng)作為GNSS的重要組成部分，通過(guò)提供廣播星歷差分改正與完好性增強(qiáng)信息，滿(mǎn)足高精度高完好性用戶(hù)使用需求。本文主要設(shè)計(jì)了一套完整的星基增強(qiáng)系統(tǒng)單雙頻用戶(hù)端定位算法處理策略，根據(jù)自編程序，驗(yàn)證了算法的正確性。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；用戶(hù)端；星基增強(qiáng)系統(tǒng)

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展及導(dǎo)航定位用戶(hù)需求的不斷提升，利用廣播星歷進(jìn)行單點(diǎn)定位的結(jié)果已無(wú)法滿(mǎn)足高精度用戶(hù)對(duì)GNSS系統(tǒng)精度以及完好性的要求。因此星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite Based Augmentation System, SBAS）應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。SBAS采用地球同步軌道衛(wèi)星（Geostationary Earth Orbit，GEO）作為通信方式，向用戶(hù)提供GNSS差分改正和完好性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度的改進(jìn)[4]。自20世紀(jì)90年代起，世界各國(guó)相繼開(kāi)展SBAS項(xiàng)目建設(shè)。目前有很多SBAS系統(tǒng)已經(jīng)建設(shè)完畢或計(jì)劃建設(shè)，包括美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System，WAAS）、歐洲的地球同步衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)（European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS）、日本的基于多功能傳輸衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng)（Multifunctional Transport Satellite based Augmentation System，MSAS）、印度的GPS輔助型靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS Aided GEO Augmented Navigation，GAGAN）、俄羅斯的差分改正監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（System of Differential Corrections and Monitoring ，SDCM）、中國(guó)的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)（BeiDou Satellite Based Augmentation System，BDSBAS）和韓國(guó)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Korean Augmentation Satellite System，KASS）。

早期建設(shè)的SBAS系統(tǒng)均是單頻單系統(tǒng)，僅增強(qiáng)1頻點(diǎn)，由于電離層異常問(wèn)題，服務(wù)性能無(wú)法達(dá)到CAT-I的性能要求。當(dāng)前，各大系統(tǒng)在提供單頻增強(qiáng)服務(wù)的同時(shí)，將重點(diǎn)發(fā)展雙頻服務(wù)。我國(guó)的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）于2020年7月31日正式建成，作為BDS的重要組成部分，BDSBAS系統(tǒng)將按照國(guó)際民航組織標(biāo)準(zhǔn)要求，向中國(guó)及周邊區(qū)域用戶(hù)提供分別滿(mǎn)足APV-I和CAT-I指標(biāo)要求的單頻和雙頻多星座服務(wù)。

本文以SBAS系統(tǒng)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套完整的用戶(hù)端單雙頻增強(qiáng)定位算法處理策略，自編程序?qū)崿F(xiàn)了SBAS用戶(hù)端增強(qiáng)定位解算，利用采集的數(shù)據(jù)對(duì)算法正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 SBAS用戶(hù)端定位算法實(shí)現(xiàn)方案

1.1 單雙頻SBAS定位算法數(shù)據(jù)流圖

SBAS用戶(hù)端定位算法主要用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)接收到觀測(cè)數(shù)據(jù)、廣播星歷和增強(qiáng)星歷后所進(jìn)行的定位解算工作。用戶(hù)接收機(jī)讀取廣播星歷參數(shù)，解算出衛(wèi)星位置和鐘差，利用衛(wèi)星位置、偽距和各類(lèi)改正數(shù)解算出用戶(hù)的當(dāng)前位置。分為單頻、雙頻兩套定位算法，可適用于不同的接收機(jī)，同時(shí)支持使用SBAS增強(qiáng)星歷的定位解算和非增強(qiáng)用戶(hù)的定位解算。增強(qiáng)算法可支持非精密進(jìn)近（Non-Precision Approach，NPA）和精密進(jìn)近（Precision Approach，PA）等不同進(jìn)近方式，解算結(jié)果為用戶(hù)當(dāng)前位置、接收機(jī)鐘差和定位保護(hù)級(jí)等。

單頻和雙頻用戶(hù)端定位算法的數(shù)據(jù)流程圖如圖1～圖2所示，兩者的數(shù)據(jù)流類(lèi)似，數(shù)據(jù)源均為廣播星歷文件、觀測(cè)數(shù)據(jù)文件、增強(qiáng)星歷文件和控制參數(shù)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括觀測(cè)偽距值、星歷參數(shù)、各類(lèi)增強(qiáng)參數(shù)、定位結(jié)果和保護(hù)級(jí)。其中定位結(jié)果和保護(hù)級(jí)數(shù)據(jù)可用于支撐導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能評(píng)估。

圖1 單頻SBAS定位算法數(shù)據(jù)流圖

圖2 SBAS雙頻定位算法數(shù)據(jù)流圖

1.2 單雙頻SBAS定位算法處理流程

圖3和圖4分別給出了單頻用戶(hù)端定位算法和雙頻用戶(hù)端定位算法的處理流程。兩套算法中的部分單元設(shè)計(jì)相同，僅在電離層誤差的消除、快速改正數(shù)的應(yīng)用和UDRE/DFRE參數(shù)的應(yīng)用上有所區(qū)別。對(duì)于非增強(qiáng)用戶(hù)，應(yīng)用RAIM算法進(jìn)行完好性監(jiān)測(cè)。

1.3 SBAS定位解計(jì)算模型

線性化的GNSS測(cè)量方程如式（1）所示：

用戶(hù)位置誤差和時(shí)鐘偏移的加權(quán)最小二乘估計(jì)（Weighted Least Squares，WLS）如式（3）所示：

式中，是差分改正殘差的協(xié)方差；是應(yīng)用無(wú)電離層雙頻L1/L5組合后的電離層殘差的協(xié)方差；是對(duì)流層延遲改正殘差的協(xié)方差；是機(jī)載設(shè)備誤差的協(xié)方差，各誤差項(xiàng)的協(xié)方差計(jì)算方法參考RTCA-DO229E標(biāo)準(zhǔn)[5]。

圖4 雙頻SBAS用戶(hù)端定位算法流程

2 SBAS用戶(hù)端定位結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述算法的正確性，我們?cè)谀澈娇债a(chǎn)業(yè)園進(jìn)行了飛行測(cè)試，數(shù)據(jù)采樣間隔為0.05 s，采集時(shí)長(zhǎng)約1.5 h；同時(shí)在航空產(chǎn)業(yè)園內(nèi)架設(shè)基準(zhǔn)站，對(duì)天線位置進(jìn)行PPP精密單點(diǎn)定位標(biāo)定（標(biāo)定時(shí)長(zhǎng)大于6 h），使用機(jī)上設(shè)備記錄的觀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行RTK后處理得到飛行平臺(tái)的精確位置，將此精確位置作為基準(zhǔn)，對(duì)SBAS單雙頻定位算法解算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

SBAS定位中使用PRN為130號(hào)衛(wèi)星播發(fā)的增強(qiáng)電文數(shù)據(jù)，衛(wèi)星高度截止角設(shè)置為10°。單雙頻SBAS定位結(jié)果誤差如圖5～圖6所示。

圖5 單頻SBAS定位結(jié)果誤差

從圖5～圖6可看出，SBAS單雙頻定位結(jié)果與RTK后處理結(jié)果符合較好，驗(yàn)證了文中算法的正確性。

圖6 雙頻SBAS 定位結(jié)果誤差

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要給出了SBAS用戶(hù)端定位算法的實(shí)現(xiàn)方案和計(jì)算模型，并通過(guò)采集數(shù)據(jù)對(duì)算法的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

[1] 佚名. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010， 25（5）：1025.

[2] 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開(kāi)服務(wù)性能規(guī)范[S]. 2018．

[3] 孟鑫，曹月玲，樓立志，等. 基于RTCA標(biāo)準(zhǔn)的WAAS和EGNOS廣播星歷差分完好性服務(wù)性能研究[J]. 全球定位系統(tǒng)，2017，42（5）：1-8.

[4] 喻思琪，張小紅，郭斐，等. 衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)近技術(shù)進(jìn)展[J]. 航空學(xué)報(bào)，2019，40（3）：022200.

[5] RTCA-DO229E. Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment[S]. RTCA Inc. SC-159，2006.

Design on Satellite Based Augmentation System Client Positioning Algorithm

WEI Jiancheng, ZHANG Rui, LEI Zhezhe, HAN Xiao

Satellite Based Augmentation System (SBAS) plays an important role in GNSS which can meet the needs of users with high precision membrane brightness by providing broadcast Ephemeris differential correction and integrity enhancement information. A complete set of SBAS single and dual frequency client positioning algorithm processing strategy is designed in the paper. According to the self-programmed program, the accuracy of single and dual frequency single-point positioning and enhanced positioning is verified.

GNSS; Client; Satellite Based Augmentation System (SBAS)

TN967

A

1674-7976-(2021)-03-163-05

2021-02-23。韋建成（1992.12-），寧夏吳忠人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦呔刃l(wèi)星導(dǎo)航定位算法。