北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)增強(qiáng)定位方法和效果研究

于敬巨，張如偉，張彥超，胡彩亮

北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)增強(qiáng)定位方法和效果研究

于敬巨，張如偉，張彥超，胡彩亮

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)BDSBAS通過地球同步軌道衛(wèi)星實(shí)時(shí)播發(fā)導(dǎo)航衛(wèi)星星歷改正數(shù)等增強(qiáng)信息，提高用戶全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位精度，提升服務(wù)水平，是北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議文件研究了BDSBAS增強(qiáng)定位算法，并在自主研發(fā)的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了BDSBAS增強(qiáng)信號(hào)的接收，完成了單頻和雙頻實(shí)時(shí)增強(qiáng)定位解算。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：BDSBAS-B1C增強(qiáng)信號(hào)能有效提高GPS L1C/A的單頻定位精度，相比于標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)單頻定位結(jié)果，水平和高程方向精度分別提升了45.18%和70.61%，提升后定位精度在1 m左右；BDSBAS-B2a增強(qiáng)信號(hào)能一定程度提高BDS B1C-B2a的雙頻無電離層組合定位精度，相比較于標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)雙頻定位結(jié)果，水平和高程方向精度分別提升了6.15%和5.83%，提升后定位精度達(dá)到分米級(jí)。

BDSBAS；增強(qiáng)定位；北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)

引言

不同于一般大眾應(yīng)用領(lǐng)域，航空業(yè)等關(guān)乎生命安全的行業(yè)領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度、完好性和連續(xù)性等指標(biāo)提出了更高的要求[1]。星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS是重點(diǎn)面向此類行業(yè)領(lǐng)域用戶的廣域差分和完好性增強(qiáng)技術(shù)。作為北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)六大服務(wù)之一[2,3]，北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)BDSBAS與北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)和規(guī)劃，是北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，能夠提高全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS定位精度，提升服務(wù)水平，是滿足我國(guó)民航、鐵路、航運(yùn)等關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域高精度和高完好性需求的重要手段[4]。

隨著北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正式開通，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS的重點(diǎn)工作已從工程建設(shè)轉(zhuǎn)移到維護(hù)穩(wěn)定運(yùn)行、提高服務(wù)水平上來，北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)已成為后階段的工作重心之一[5]。BDSBAS通過地球同步軌道衛(wèi)星GEO的BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a增強(qiáng)信號(hào)播發(fā)各個(gè)GNSS系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道改正數(shù)、衛(wèi)星鐘差以及電離層延遲改正數(shù)等修正信息，向中國(guó)及周邊地區(qū)用戶提供符合國(guó)際民航組織ICAO標(biāo)準(zhǔn)的單頻SF（Single-Frequency）服務(wù)和雙頻多星座DFMC（Double-Frequency Multi-Constellation）服務(wù)，提高原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度[6]。

本文根據(jù)中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的接口控制文件和SBAS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BDSBAS單頻和雙頻增強(qiáng)定位方法進(jìn)行了研究，在自主研發(fā)的BDSBAS監(jiān)測(cè)接收機(jī)平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)定位解算，并就BDSBAS增強(qiáng)信號(hào)對(duì)GPS L1C/A單頻和BDS B1C-B2a雙頻實(shí)時(shí)增強(qiáng)定位進(jìn)行了實(shí)測(cè)，對(duì)定位增強(qiáng)效果進(jìn)行了初步分析。

1 BDSBAS簡(jiǎn)介

BDSBAS與BDS一體化設(shè)計(jì)與建設(shè)，系統(tǒng)主要由空間段、地面段和用戶段3部分組成，如圖1所示[7,8]。空間段由3顆GEO衛(wèi)星組成，通過BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a信號(hào)播發(fā)增強(qiáng)電文信息，提供覆蓋亞太地區(qū)的SF和DFMC增強(qiáng)服務(wù)。地面段由運(yùn)行控制中心、數(shù)據(jù)處理中心、注入站和監(jiān)測(cè)站組成。地面監(jiān)測(cè)站對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，獲取偽距、載波相位和導(dǎo)航電文等信息，通過專用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至主控站數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心處理、生成廣域差分修正信息等星基增強(qiáng)數(shù)據(jù)，經(jīng)由主控站運(yùn)行控制中心接收比對(duì)后上注北斗GEO衛(wèi)星，播發(fā)至服務(wù)區(qū)內(nèi)供用戶使用[9]。用戶段包括面向航空、航海、鐵路等行業(yè)應(yīng)用的BDSBAS設(shè)備。

圖1 BDSBAS系統(tǒng)架構(gòu)組成

BDSBAS按照國(guó)際民航組織標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求開展設(shè)計(jì)與建設(shè)，與美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SDCM）、歐洲的地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)（EGNOS）、印度GPS輔助地球靜止軌道衛(wèi)星增強(qiáng)導(dǎo)航（GAGAN）及日本的多功能增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS）等星基增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容與互操作[10-12]。BDSBAS系統(tǒng)播發(fā)BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a兩個(gè)頻段的增強(qiáng)信號(hào)，其中BDSBAS-B1C頻點(diǎn)采用ICAO所明確的SBAS SF L1標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)體制，BDSBAS-B2a頻點(diǎn)采用目前正在聯(lián)合設(shè)計(jì)的SBAS DFMC L5標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)體制[2]。兩個(gè)頻點(diǎn)增強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)BDSBAS提供兩種增強(qiáng)服務(wù)：?jiǎn)晤l增強(qiáng)服務(wù)，由BDSBAS-B1C頻段的信號(hào)將GPS和GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道改正數(shù)、衛(wèi)星鐘差和電離層改正數(shù)等各類修正參數(shù)播發(fā)給用戶[6]；雙頻增強(qiáng)服務(wù)，由BDSBAS-B2a頻段的信號(hào)將BDS、GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道改正數(shù)和鐘差改正數(shù)等各類修正參數(shù)播發(fā)給用戶[13]。

2 定位解算設(shè)計(jì)

自主研發(fā)的BDSBAS監(jiān)測(cè)接收機(jī)支持所有GNSS系統(tǒng)及SBAS信號(hào)的實(shí)時(shí)接收解算，同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)SF和DFMC SBAS增強(qiáng)定位。本設(shè)計(jì)可以根據(jù)上位機(jī)監(jiān)控設(shè)置的配置參數(shù)，選擇不同GNSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)和不同SBAS系統(tǒng)播發(fā)的增強(qiáng)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)單頻增強(qiáng)定位或雙頻無電離層組合增強(qiáng)定位，且能在選擇的SBAS系統(tǒng)服務(wù)不可用時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)單頻定位或雙頻無電離層組合定位，具體定位解算流程圖如圖2所示。

圖2 BDSBAS監(jiān)測(cè)接收機(jī)定位解算流程圖

2.1 單頻增強(qiáng)算法

BDSBAS-B1C頻點(diǎn)播發(fā)單頻增強(qiáng)信息，用于修正GNSS的單頻定位精度。單頻增強(qiáng)信息提供電離層延遲、衛(wèi)星軌道位置和鐘差相應(yīng)的修正參數(shù)。

電離層延遲誤差是影響用戶單頻定位精度的重要誤差源之一，BDSBAS播發(fā)電離層格網(wǎng)掩碼、格網(wǎng)點(diǎn)處電離層垂直延遲和格網(wǎng)電離層垂直誤差索引GIVEI等參數(shù)，用于穿刺點(diǎn)處電離層改正數(shù)解算。

其中0為播發(fā)的增強(qiáng)修正參數(shù)對(duì)應(yīng)的廣播時(shí)間。

2.2 雙頻增強(qiáng)算法

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，SBAS的雙頻多系統(tǒng)增強(qiáng)服務(wù)成為可能，國(guó)際民航組織正積極推進(jìn)雙頻多系統(tǒng)的SBAS標(biāo)準(zhǔn)制定[14]。以采用B1C和B2a導(dǎo)頻分量雙頻無電離層組合偽距算法修正電離層延遲的影響為例，雙頻無電離層組合偽距計(jì)算方法為：

3 實(shí)驗(yàn)及效果分析

采用自研的BDSBAS監(jiān)測(cè)接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于北京某辦公樓。天線架設(shè)在該辦公樓樓頂，周邊環(huán)境無遮擋，坐標(biāo)事先經(jīng)過PPP計(jì)算得到，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。自研的BDSBAS監(jiān)測(cè)接收機(jī)能夠完成BDSBAS信號(hào)的實(shí)時(shí)接收處理及增強(qiáng)定位解算，且同時(shí)支持任意兩種模式的定位解算，故分兩次分別進(jìn)行單頻和雙頻定位各兩種方案的實(shí)驗(yàn)，保存定位結(jié)果，采樣頻率為1 Hz。

圖3 自研BDSBAS監(jiān)測(cè)接收機(jī)及天線架設(shè)圖

3.1 單頻增強(qiáng)定位實(shí)驗(yàn)及分析

本文通過BDSBAS監(jiān)測(cè)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收處理BDSBAS-B1C信號(hào)，發(fā)現(xiàn)目前BDSBAS-B1C頻點(diǎn)僅播發(fā)了針對(duì)GPS L1C/A的增強(qiáng)信息，對(duì)此本文采用兩種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)時(shí)定位解算。方案一采用GPS廣播星歷進(jìn)行單點(diǎn)定位解算，方案二采用BDSBAS-B1C信號(hào)播發(fā)的增強(qiáng)信息修正GPS衛(wèi)星軌道、鐘差和電離層延遲誤差進(jìn)行單點(diǎn)定位解算，兩種方案均采用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)流層模型。

在BDT的819 W 348 500S～349 500S測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，兩種方案的水平誤差delP和高程誤差delH隨時(shí)間變化如圖4所示，方案一在水平方向上定位精度優(yōu)于3.99 m，在高程方向上定位精度優(yōu)于3.84 m；方案二在水平方向上定位精度優(yōu)于2.91 m，在高程方向上定位精度優(yōu)于3.04 m。

圖4 單頻定位兩種方案定位結(jié)果對(duì)比圖

在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)兩種方案定位結(jié)果的均值和方差如表1所示，方案二增強(qiáng)定位的水平和高程定位精度分別為0.91 m和0.72 m，結(jié)果較方案一常規(guī)單點(diǎn)定位在水平方向上提高45.18%，在高程方向上提高70.61%，定位結(jié)果提高幅度較大，且變化幅度較低，表明BDSBAS單頻增強(qiáng)服務(wù)性能在北京地區(qū)穩(wěn)定且良好。將本文結(jié)果與文獻(xiàn)[15]實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示，由于定位算法和數(shù)據(jù)處理策略的不同，故本文與文獻(xiàn)[15]的定位結(jié)果差別較大，但增強(qiáng)定位相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)定位的提升幅度較一致，說明BDSBAS單頻增強(qiáng)服務(wù)較為穩(wěn)定。上述結(jié)果表明，BDSBAS-B1C提供的單頻增強(qiáng)服務(wù)能有效提高GPS的單點(diǎn)定位精度，滿足民航用戶一類垂直引導(dǎo)進(jìn)近APV-I精度要求（水平16 m，95%誤差；垂直20 m，95%誤差：）。

表1 單頻定位兩種方案定位結(jié)果

表2 定位結(jié)果比較

3.2 雙頻增強(qiáng)定位實(shí)驗(yàn)及分析

目前BDSBAS-B2a頻點(diǎn)播發(fā)GPS L1C/A-L5和BDS B1C-B2a的增強(qiáng)信息服務(wù)測(cè)試信號(hào)，本文采用兩種方案通過BDSBAS監(jiān)測(cè)接收機(jī)對(duì)BDSBAS-B2a信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收處理，并完成實(shí)時(shí)BDS B1C-B2a雙頻定位解算。方案一采用常規(guī)雙頻無電離層組合進(jìn)行單點(diǎn)定位解算，方案二采用BDSBAS-B2a信號(hào)播發(fā)的增強(qiáng)信息修正BDS衛(wèi)星軌道、鐘差后進(jìn)行雙頻無電離層組合單點(diǎn)定位解算，兩種方案均采用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)流層模型。

在BDT的808 W 434 500 s～435 500 s 測(cè)試時(shí)間段內(nèi)兩種方案的水平誤差delP和高程誤差delH隨時(shí)間變化，如圖5所示，方案一在水平方向上定位精度優(yōu)于1.76 m，在高程方向上定位精度優(yōu)于2.49 m；方案二在水平方向上定位精度優(yōu)于1.55 m，在高程方向上定位精度優(yōu)于2.39 m。在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)兩種方案定位結(jié)果的均值和方差如表3所示，方案二增強(qiáng)定位的水平和高程定位精度分別為0.61 m和0.97 m，結(jié)果較方案一常規(guī)雙頻無電離層組合定位在水平方向上提高6.15%，在高程方向上提高5.83%，BDSBAS提供的雙頻增強(qiáng)服務(wù)能一定程度上提高BDS的雙頻無電離層組合定位精度，滿足民航用戶一類精密進(jìn)近CAT-I精度要求（水平16 m，95%誤差，垂直4 m，95%誤差）。

圖5 雙頻定位兩種方案定位結(jié)果對(duì)比圖

表3 雙頻定位兩種方案定位結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于BDSBAS監(jiān)測(cè)接收機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了BDSBAS增強(qiáng)信號(hào)的實(shí)時(shí)接收解算，并完成了GPS單頻和BDS雙頻增強(qiáng)定位的實(shí)時(shí)解算。結(jié)果表明：

① BDSBAS-B1C增強(qiáng)信號(hào)能有效提高GPS的單頻定位精度，水平和高程方向精度分別提升了45.18%和70.61%，達(dá)到水平2.91 m（95%誤差）和垂直3.04 m（95%誤差），滿足民航用戶一類垂直引導(dǎo)進(jìn)近APV-I精度要求；

② BDSBAS-B2a增強(qiáng)信號(hào)能一定程度提高BDS的雙頻無電離層組合定位精度，水平和高程方向精度分別提升了6.15%和5.83%，提升后實(shí)時(shí)定位精度在分米級(jí)，達(dá)到水平1.55 m（95%誤差）和垂直2.39 m（95%誤差），滿足民航用戶一類精密進(jìn)近CAT-I精度要求。

③標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的雙頻無電離層組合定位精度已經(jīng)接近或達(dá)到分米級(jí)，所以雙頻增強(qiáng)定位精度提升幅度較小，且由于雙頻無電離層組合噪聲系數(shù)變大，導(dǎo)致變化幅度較大。

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Study on enhanced positioning method and effect of BDSBAS

YU Jingju, ZHANG Ruwei, ZHANG Yanchao, HU Cailiang

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

BDSBAS is an important part of BDS. It improves the positioning accuracy and service level of GNSS by broadcasting the ephemeris corrections and other augmentation information through geostationary earth orbit satellites in real time. This paper studies the enhanced positioning algorithm of BDSBAS according to the relevant standard protocol files, designs and realizes the receiving of the signal of BDSBAS on the BDSBAS monitor receiver, and completes the real-time enhanced positioning solution of single frequency and dual frequency. The results show that BDSBAS-B1C signal can effectively improve the single-frequency positioning accuracy of GPS L1C/A. Compared with the standard service single-frequency positioning, the positioning accuracy of horizontal direction and elevation direction is increased by 45.18% and 70.61%, and the positioning accuracy is about 1m after the enhancement. BDSBAS-B2a signal can improve the positioning accuracy of BDS B1C-B2a dual-frequency ionosphere-free combination to a certain extent. Compared with the standard service dual-frequency positioning, the positioning accuracy of horizontal direction and elevation direction is improved by 6.15% and 5.83%, and the positioning accuracy reaches decimeter level after the enhancement.

BDSBAS; Enhanced positioning; BDSBAS monitor receiver

TN967.1

A

CN11-1780(2022)05-0053-08

10.12347/j.ycyk.20211117002

于敬巨, 張如偉, 張彥超, 等.北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)增強(qiáng)定位方法和效果研究[J]. 遙測(cè)遙控, 2022, 43(5): 53–60.

DOI：10.12347/j.ycyk.20211117002

: YU Jingju,ZHANG Ruwei,ZHANG Yanchao, et al. Study on enhanced positioning method and effect of BDSBAS[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(5): 53–60.

2021-11-17

于敬巨 1991年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)镚NSS信號(hào)監(jiān)測(cè)和星基增強(qiáng)技術(shù)。

張如偉 1980年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)镚NSS總體設(shè)計(jì)及高精度算法研究。

張彥超 1989年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)镚NSS高精度定位。

胡彩亮 1982年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)镚NSS總體設(shè)計(jì)及抗干擾設(shè)計(jì)。

(本文編輯：潘三英)