BDSBAS時(shí)間基準(zhǔn)互操作方法研究與性能測試

劉 成，陳 穎，熊 帥，邵 搏，張 鍵，王 威

(1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

目前，世界上已完成建設(shè)和正在建設(shè)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)主要包括美國廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System, WAAS)[1-3]、歐盟歐洲地球同步導(dǎo)航重疊系統(tǒng)(European Geostationary Navigation Overlay System, EGNOS)[4-5]、日本多功能星基增強(qiáng)系統(tǒng)(MTSAT Satellite-based Augmentation System, MSAS)[6-7]、印度全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)輔助型地球同步軌道增強(qiáng)系統(tǒng)(GPS-Aided GEO Augmented Navigation System, GAGAN)[8-9]、俄羅斯差分改正與監(jiān)測系統(tǒng)(System of Differential Correction and Monitoring, SDCM)[10-11]、韓國星基增強(qiáng)系統(tǒng)(Korea Augmentation Satellite System, KASS)[12]、非洲及印度洋星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS for Africa and Indian Ocean, A-SBAS)[13-14]、澳大利亞/新西蘭南部定位增強(qiáng)網(wǎng)(Southern Positioning Augmentation Network, SouthPAN)[15]以及我國北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)(BeiDou Satellite-Based Augmentation System, BDSBAS)等[16-19]，各國星基增強(qiáng)系統(tǒng)分布如圖1。

由于各星基增強(qiáng)系統(tǒng)由不同國家進(jìn)行建設(shè)，所增強(qiáng)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座也不盡相同，因此，如何順利實(shí)現(xiàn)各星基增強(qiáng)系統(tǒng)之間的兼容與互操作成為重大挑戰(zhàn)。為此，國際民航組織成立了星基增強(qiáng)互操作工作組(Interoperability Working Group, IWG)，專門負(fù)責(zé)聯(lián)合各星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)商，共同開展星基增強(qiáng)系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作。2012年，星基增強(qiáng)互操作工作組已順利完成單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施的制定工作，并提交國際民航組織審核頒布。2015年起，星基增強(qiáng)互操作工作組啟動(dòng)了雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施草案的聯(lián)合研究和制定工作，我國北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)也開始正式參與[20]。相比單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)，雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)利用雙頻偽距測量值組合消除電離層誤差，進(jìn)一步提升定位精度和完好性；由于不再需要播發(fā)格網(wǎng)電離層改正數(shù)，因此，雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)核心星座(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)、全球定位系統(tǒng)、格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)、伽利略系統(tǒng)(GALILEO))的增強(qiáng)；同時(shí)，雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)還將實(shí)現(xiàn)更快的完好性告警時(shí)間(從10 s提升至6 s)[21]。

圖1 各國星基增強(qiáng)系統(tǒng)分布示意圖Fig.1 Distribution of the SBASs in the world

在星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施研究中，不同星基增強(qiáng)系統(tǒng)之間的時(shí)間基準(zhǔn)互操作是主要技術(shù)問題之一。一方面，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的獨(dú)立觀測和完好性監(jiān)測，星基增強(qiáng)系統(tǒng)需要建立和維持一套獨(dú)立的時(shí)間，稱為星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它們之間本身就存在差異；另一方面，各星基增強(qiáng)系統(tǒng)所選擇增強(qiáng)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座也不盡相同，其改正數(shù)的時(shí)間基準(zhǔn)問題也應(yīng)該予以研究和明確。在單頻標(biāo)準(zhǔn)與建議措施制定過程中，由于當(dāng)時(shí)僅存在全球定位系統(tǒng)、格洛納斯系統(tǒng)兩個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座，單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)的增強(qiáng)電文僅能夠?qū)θ蚨ㄎ幌到y(tǒng)或格洛納斯系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)(因?yàn)殡婋x層格網(wǎng)信息的播發(fā)占用了大量字節(jié)資源)，因此，單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)互操作問題相對(duì)較為容易解決。然而，在雙頻多星座標(biāo)準(zhǔn)與建議措施制定過程中，世界衛(wèi)星導(dǎo)航格局已發(fā)生顯著變化，隨著北斗三號(hào)全球定位系統(tǒng)(BDS-3)的建成和伽利略系統(tǒng)的加速建設(shè)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)核心星座已擴(kuò)展為4個(gè)，同時(shí)，星基增強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)量也進(jìn)一步增加。這些發(fā)展和變化為星基增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)的互操作帶來新的挑戰(zhàn)。2020年11月，雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施草案已通過國際民航組織NSP/6會(huì)議審議，并向國際民航組織航委會(huì)(Air Navigation Commission, ANC)提交審核，雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施草案明確了包括星基增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)互操作在內(nèi)的各項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容[22]。

本文從星基增強(qiáng)系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，介紹了星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的基本概念和互操作現(xiàn)狀，重點(diǎn)結(jié)合國際民航組織星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施草案的制定進(jìn)展，對(duì)星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的兼容互操作問題進(jìn)行了分析和研究，并給出了目前的最新解決方案。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)星基增強(qiáng)系統(tǒng)互操作時(shí)間基準(zhǔn)的國際標(biāo)準(zhǔn)最新要求，對(duì)北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)工程和軟件狀態(tài)進(jìn)行了升級(jí)，并給出了升級(jí)后的實(shí)測性能結(jié)果。相關(guān)內(nèi)容能夠?yàn)楫?dāng)前正在研制的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)接收機(jī)，特別是支持最新雙頻多星座服務(wù)模式的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)接收機(jī)提供有益參考。

1 星基增強(qiáng)系統(tǒng)相關(guān)時(shí)間基準(zhǔn)

利用星基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)定位時(shí)涉及到兩套時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)——全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間和星基增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間。本節(jié)分別對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間和星基增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行介紹和分析。

1.1 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間

1.1.1 全球定位系統(tǒng)時(shí)(GPS Time, GPST)

全球定位系統(tǒng)時(shí)通過安裝在地面的原子鐘與衛(wèi)星原子鐘共同維持。全球定位系統(tǒng)時(shí)的起始?xì)v元為協(xié)調(diào)時(shí)的1980年1月6日(星期日)零時(shí)刻，自該時(shí)刻起，全球定位系統(tǒng)時(shí)周而復(fù)始計(jì)數(shù)。全球定位系統(tǒng)時(shí)落后國際原子鐘19 s，美國海軍天文臺(tái)(The United States Naval Observatory, USNO)定期將其維持的協(xié)調(diào)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)比較，并控制全球定位系統(tǒng)時(shí)，使之與國際原子時(shí)(Temps Atomique International, TAI)保持同步[23-25]。

TAI=GPST+19 s ，

(1)

全球定位系統(tǒng)時(shí)與協(xié)調(diào)時(shí)之間整數(shù)秒的差異隨著協(xié)調(diào)時(shí)的跳秒不斷變化，當(dāng)前全球定位系統(tǒng)時(shí)與協(xié)調(diào)時(shí)之間的整數(shù)秒差增至18 s[25]，即

GPST≈UTC+18 s.

(2)

除了整秒差異外，全球定位系統(tǒng)時(shí)與協(xié)調(diào)時(shí)之間存在小于1 μs的秒內(nèi)偏差，通常該偏差控制在幾百納秒之內(nèi)，甚至小于20 ns(1σ)[26]。全球定位系統(tǒng)時(shí)可用全球定位系統(tǒng)周(WN)和全球定位系統(tǒng)周內(nèi)秒(SOW)表示，周內(nèi)秒最小值為0，最大值不超過604 800 s，在每星期六午夜零時(shí)從0開始逐漸增大，經(jīng)過一周(即604 800 s)后又返回0，同時(shí)星期數(shù)(WN)增加1。

1.1.2 北斗系統(tǒng)時(shí)(BeiDou Time, BDT)

北斗系統(tǒng)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)一樣采用原子時(shí)，以國際單位制(SI)秒為基本單位連續(xù)累計(jì)，起始?xì)v元為2006年1月1日協(xié)調(diào)世界時(shí)00時(shí)00分00秒。北斗系統(tǒng)時(shí)通過協(xié)調(diào)世界時(shí)與國際協(xié)調(diào)世界時(shí)建立聯(lián)系，北斗系統(tǒng)時(shí)與國際協(xié)調(diào)世界時(shí)的偏差保持在50 ns以內(nèi)(模1 s)，且無需閏秒[27]。但由于北斗系統(tǒng)時(shí)與協(xié)調(diào)世界時(shí)保持在一定的公差范圍內(nèi)，而協(xié)調(diào)世界時(shí)存在閏秒問題，因此，北斗系統(tǒng)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)均存在與協(xié)調(diào)世界時(shí)之間的跳秒改正(通過廣播電文播發(fā))。并且由于在2006年1月1日00時(shí)00分00秒北斗系統(tǒng)時(shí)起算之前，全球定位系統(tǒng)時(shí)已經(jīng)與協(xié)調(diào)世界時(shí)之間存在14 s的跳秒改正，因此，北斗系統(tǒng)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)除了相差的1 356周外，還始終保持一個(gè)14 s的系統(tǒng)差[28]。即兩者之間存在如下關(guān)系：

(3)

圖2給出了目前北斗系統(tǒng)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)的實(shí)測結(jié)果，證明北斗系統(tǒng)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)之間保持穩(wěn)定的14 s時(shí)差(周內(nèi)秒)。

圖2 北斗系統(tǒng)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)的周內(nèi)秒時(shí)差

1.1.3 伽利略系統(tǒng)時(shí)(Galileo System Time, GST)

伽利略系統(tǒng)時(shí)是一個(gè)連續(xù)時(shí)間尺度，溯源到國際原子時(shí)，與國際原子時(shí)相差整數(shù)秒，不實(shí)施閏秒，保持偏差小于50 ns。伽利略系統(tǒng)時(shí)的起始?xì)v元定義在1999年8月22日協(xié)調(diào)時(shí)(協(xié)調(diào)世界時(shí))00時(shí)00分00秒的基礎(chǔ)上超前13 s，與全球定位系統(tǒng)時(shí)保持一致[29]。到目前為止超前協(xié)調(diào)世界時(shí)18 s，即

GST=UTC+18 s.

(4)

1.1.4 格洛納斯系統(tǒng)時(shí)(GLONASS Time, GLONASST)

格洛納斯系統(tǒng)時(shí)以莫斯科時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，以俄羅斯維持的協(xié)調(diào)世界時(shí)作為時(shí)間度量的標(biāo)準(zhǔn)。與上述幾類全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)不同，格洛納斯系統(tǒng)時(shí)與協(xié)調(diào)世界時(shí)具有相同的閏秒，因此不存在整秒差異。但它們之間存在3 h的整數(shù)偏移，且相差一個(gè)微小偏差(1 ms以內(nèi))，其關(guān)系為[30-31]

GLONASST≈UTC(SU)+3 h.

(5)

1.2 星基增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間

根據(jù)國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)要求，各星基增強(qiáng)系統(tǒng)需要維持和使用一套自身的時(shí)間基準(zhǔn)，稱為星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)。星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)定義為在滿足星基增強(qiáng)系統(tǒng)總體性能要求的前提下，星基增強(qiáng)系統(tǒng)利用自身地面監(jiān)測站所維持的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間。本質(zhì)上，這是星基增強(qiáng)系統(tǒng)出于獨(dú)立觀測和監(jiān)測全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)完好性的需要。當(dāng)使用星基增強(qiáng)系統(tǒng)改正數(shù)時(shí)，用戶定位是在星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)下進(jìn)行，而非全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)(GNSS Time, GNSST)。然而，由于單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)與雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)與建議措施制定時(shí)間相差數(shù)年，期間世界衛(wèi)星導(dǎo)航格局發(fā)生了重大變化，因此，這兩類星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)間基準(zhǔn)要求也不相同。

1.2.1 單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)

國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)與建議措施中關(guān)于單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容早在2012年已制定完成，且目前國際民航組織暫時(shí)沒有重新啟動(dòng)修訂更新的計(jì)劃。由于當(dāng)時(shí)只有全球定位系統(tǒng)和格洛納斯系統(tǒng)兩個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，因此，單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)可選增強(qiáng)對(duì)象暫時(shí)只能是全球定位系統(tǒng)或格洛納斯系統(tǒng)(二選一)，可選星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)基準(zhǔn)為全球定位系統(tǒng)時(shí)。

但根據(jù)國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)與建議措施附件10第I卷的要求，單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)只能以全球定位系統(tǒng)時(shí)為基準(zhǔn)，且兩者之間的差異需保持在50 ns以內(nèi)[30]，即

|SNTSF-GPST|≤50 ns.

(6)

1.2.2 雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)

2015年，國際民航組織開始組織各星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)商，啟動(dòng)和開展雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。由于中國和歐洲均開始建設(shè)自己的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS-3和伽利略系統(tǒng))，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)核心星座從2個(gè)增加為4個(gè)，因此，在完成相關(guān)技術(shù)內(nèi)容的論證和確認(rèn)后，雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)的可選增強(qiáng)對(duì)象也擴(kuò)展為4個(gè)(全球定位系統(tǒng)、格洛納斯系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng))，相應(yīng)地，在雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施文件中，雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)也調(diào)整為可從四大核心全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間中進(jìn)行選擇(可選星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)基準(zhǔn)為全球定位系統(tǒng)時(shí)、格洛納斯系統(tǒng)時(shí)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)和伽利略系統(tǒng)時(shí))。兩者之間的差異需保持在1 μs以內(nèi)[22]，即

|SNTDFMC-GNSST|≤1 μs.

(7)

雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)基準(zhǔn)信息通過雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)電文類型(Message Type, MT)37中的時(shí)間參考標(biāo)識(shí)(Time Reference ID)字段參數(shù)進(jìn)行播發(fā)(全球定位系統(tǒng)標(biāo)識(shí)號(hào)為0；格洛納斯系統(tǒng)標(biāo)識(shí)號(hào)為1；伽利略系統(tǒng)標(biāo)識(shí)號(hào)為2；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)識(shí)號(hào)為3)。

2 星基增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間互操作方法與策略

2.1 單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)互操作方法與策略

在單頻服務(wù)模式下，由于只有俄羅斯差分改正與監(jiān)測系統(tǒng)選擇增強(qiáng)本國的格洛納斯系統(tǒng)，而其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)均選擇增強(qiáng)全球定位系統(tǒng)，因此，對(duì)于俄羅斯差分改正與監(jiān)測系統(tǒng)以外的星基增強(qiáng)系統(tǒng)而言，國際民航組織制定的時(shí)間同步要求是適用的。星基增強(qiáng)系統(tǒng)播發(fā)全球定位系統(tǒng)時(shí)下的衛(wèi)星改正數(shù)，用戶同時(shí)接收廣播星歷和星基增強(qiáng)系統(tǒng)改正數(shù)進(jìn)行解算，獲得自身在全球定位系統(tǒng)時(shí)下的定位結(jié)果，無需額外操作。

對(duì)于俄羅斯差分改正與監(jiān)測系統(tǒng)而言情況更為復(fù)雜。因?yàn)槎砹_斯差分改正與監(jiān)測系統(tǒng)雖然播發(fā)格洛納斯系統(tǒng)衛(wèi)星改正數(shù)，但它的時(shí)間基準(zhǔn)卻是相對(duì)于全球定位系統(tǒng)時(shí)的。這意味著用戶需要額外做一次時(shí)間轉(zhuǎn)換，將格洛納斯系統(tǒng)衛(wèi)星改正數(shù)從全球定位系統(tǒng)時(shí)換算至格洛納斯系統(tǒng)時(shí)，才能與格洛納斯系統(tǒng)衛(wèi)星的廣播星歷配合，共同完成對(duì)格洛納斯系統(tǒng)的增強(qiáng)定位。這可以通過兩種途徑實(shí)現(xiàn)：

(1)接收格洛納斯系統(tǒng)廣播星歷，計(jì)算得到格洛納斯系統(tǒng)時(shí)相對(duì)于協(xié)調(diào)世界時(shí)的時(shí)差，同時(shí)接收全球定位系統(tǒng)廣播星歷，計(jì)算得到全球定位系統(tǒng)時(shí)相對(duì)于協(xié)調(diào)世界時(shí)的時(shí)差，進(jìn)而計(jì)算得到格洛納斯系統(tǒng)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)之間的時(shí)差；

(2)在格洛納斯系統(tǒng)廣播星歷中播發(fā)格洛納斯系統(tǒng)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)之間的時(shí)差參數(shù)。

2.2 雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)互操作方法與策略

在雙頻多星座模式下，星基增強(qiáng)系統(tǒng)可以選擇增強(qiáng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座數(shù)量增加為4個(gè)，星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)基準(zhǔn)也可以由各星基增強(qiáng)系統(tǒng)供應(yīng)商自行選擇。在2017年制定形成的雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施草案中，各星基增強(qiáng)系統(tǒng)供應(yīng)商已明確了各自的選擇對(duì)象，見表1。

表1 星基增強(qiáng)系統(tǒng)供應(yīng)商所選擇的雙頻多星座增強(qiáng)對(duì)象和星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)基準(zhǔn)

表1中， “DFMC SBAS增強(qiáng)對(duì)象” 是指該星基增強(qiáng)系統(tǒng)播發(fā)改正數(shù)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座。至于航空機(jī)載接收機(jī)在該星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域內(nèi)究竟使用哪個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座及其增強(qiáng)改正數(shù)進(jìn)行導(dǎo)航，由航空機(jī)載接收機(jī)設(shè)備廠商和各國民用航空主管部門確定。

由于雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座進(jìn)行增強(qiáng)，涉及到更多的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，因此星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的互操作實(shí)現(xiàn)比單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)更為復(fù)雜。根據(jù)雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)原理，當(dāng)用戶使用電文類型32中的被增強(qiáng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星改正數(shù)進(jìn)行定位解算時(shí)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)鐘差的改正值δΔtSV為

(8)

其中，δB為衛(wèi)星時(shí)鐘偏差改正數(shù)；δB·為衛(wèi)星時(shí)鐘偏差變化率改正數(shù)；c為光速；t為該衛(wèi)星在所在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座時(shí)間系統(tǒng)下的測量時(shí)刻(由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)廣播電文得到)；tD為該改正數(shù)在星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)中的參考時(shí)刻(由星基增強(qiáng)系統(tǒng)增強(qiáng)電文得到)。

(9)

(10)

(11)

由于全球定位系統(tǒng)時(shí)、北斗系統(tǒng)時(shí)與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)之間的整秒差異是固定的，因此很容易通過上述方式完成轉(zhuǎn)換處理。但對(duì)于格洛納斯系統(tǒng)而言，由于格洛納斯系統(tǒng)時(shí)與其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)之間整秒差異是不固定的，存在一個(gè)隨時(shí)間變化的閏秒(這是由于格洛納斯系統(tǒng)時(shí)隨協(xié)調(diào)世界時(shí)閏秒)，無法通過在接收機(jī)中預(yù)設(shè)的方式解決。相比其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，用戶必須接收格洛納斯系統(tǒng)廣播電文的閏秒信息，才能完成格洛納斯系統(tǒng)與其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的雙頻多星座模式兼容定位。

從星基增強(qiáng)系統(tǒng)互操作層面，這意味著所有雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)接收機(jī)必須增強(qiáng)格洛納斯系統(tǒng)，否則就無法使用俄羅斯差分改正與監(jiān)測系統(tǒng)播發(fā)的改正數(shù)信息，這并不符合雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)的設(shè)計(jì)和開發(fā)目的。因此，在2020年11月召開的國際民航組織NSP/6會(huì)議上，DS2工作組給出了雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與被增強(qiáng)星基參考時(shí)間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[22]，以實(shí)現(xiàn)雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間兼容問題，見表2。

表2 雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與被增強(qiáng)星座參考時(shí)間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

3 測試與分析

前期，北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)已根據(jù)單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)中的時(shí)間基準(zhǔn)要求開展建設(shè)，相關(guān)服務(wù)性能滿足國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)要求。針對(duì)雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)中的這一最新技術(shù)要求和動(dòng)態(tài)，北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)地面段監(jiān)測處理能力與流程進(jìn)行了升級(jí)，以確保雙頻多星座模式下的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)改正數(shù)是相對(duì)于各自全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)的。

3.1 北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)測試

2021年5月8日至6月21日，我們在北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心(西安)和北斗系統(tǒng)主控站(北京)架設(shè)共視接收機(jī)，進(jìn)行了連續(xù)45天的觀測。通過衛(wèi)星共視時(shí)間傳遞方法，對(duì)北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)、雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與相應(yīng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)之間的偏差進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)估。

3.1.1 單頻時(shí)間基準(zhǔn)測試

對(duì)于單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)而言，目前，單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施國際標(biāo)準(zhǔn)中要求選擇全球定位系統(tǒng)時(shí)或者格洛納斯系統(tǒng)時(shí)作為基準(zhǔn)。因此，北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用在北斗系統(tǒng)時(shí)基礎(chǔ)上增加14 s整秒的方式，以實(shí)現(xiàn)與全球定位系統(tǒng)時(shí)同步的目的，從而滿足國際民航組織當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)要求。通過衛(wèi)星共視時(shí)間傳遞方法計(jì)算得到了北斗單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)之間的時(shí)間偏差，結(jié)果如圖3。

由圖3可知，北斗單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)之間的最大偏差為37 ns，滿足單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施中50 ns的指標(biāo)要求。

圖3 北斗單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)之間的偏差

3.1.2 雙頻多星座時(shí)間基準(zhǔn)測試

對(duì)于雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)而言，雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施標(biāo)準(zhǔn)允許其從四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間中自行選擇。因此，北斗雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)選擇以北斗系統(tǒng)時(shí)為基準(zhǔn)、與北斗系統(tǒng)時(shí)之間進(jìn)行同步。通過衛(wèi)星共視時(shí)間傳遞方法計(jì)算得到了北斗雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與北斗系統(tǒng)時(shí)之間的時(shí)間偏差，結(jié)果如圖4。

圖4 北斗雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與北斗系統(tǒng)時(shí)之間的偏差

由圖4可知，北斗雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與北斗系統(tǒng)時(shí)之間的最大偏差為0.17 μs，滿足雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施中1 μs的指標(biāo)要求。

3.2 北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)性能測試

北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)性能測試選用北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)北京監(jiān)測站2021年6月15日1秒采樣數(shù)據(jù)，增強(qiáng)電文采用北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)PRN130衛(wèi)星播發(fā)的增強(qiáng)信息。

3.2.1 單頻服務(wù)性能測試

北京站的定位誤差直方圖和斯坦福圖分布如圖5和圖6。由圖5和圖6可知，水平精度(95%)為1.187 m，垂直精度(95%)為2.356 m；APV-I可用性為99.446%，連續(xù)性為99.079%；水平和垂直最小安全因子分別為4.107和3.098；計(jì)算時(shí)段內(nèi)未發(fā)生危險(xiǎn)性誤導(dǎo)信息(Hazardously Misleading Information, HMI)事件。北京站的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)單頻服務(wù)的定位精度和可用性滿足國際民航組織APV-I服務(wù)等級(jí)要求；并且最小水平/垂直安全因子均大于1，保護(hù)級(jí)將定位誤差完全包絡(luò)，HMI事件發(fā)生次數(shù)為0，表明完好性參數(shù)可以滿足為用戶提供可靠的完好性保障。

圖5 2021年6月15日北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)單頻服務(wù)北京站定位誤差統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.5 Positioning error histogram of BDSBAS SF service at Beijing station (June 15, 2021)

圖6 2021年6月15日北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)單頻服務(wù)北京站水平/垂直斯坦福圖Fig.6 Horizontal/vertical Stanford chart of BDSBAS SF service at Beijing station (June 15, 2021)

3.2.2 雙頻多星座服務(wù)性能測試

北京站的定位誤差直方圖和斯坦福圖分布如圖7和圖8。由圖7和圖8可知，水平精度(95%)為1.830 m，垂直精度(95%)為2.860 m；APV-I可用性為100.00%，連續(xù)性為100.00%；水平和垂直最小安全因子分別為1.872和2.581；計(jì)算時(shí)段內(nèi)未發(fā)生HMI事件。北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)雙頻多星座服務(wù)定位精度較單頻稍差，原因在于雖然北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B1C/B2a雙頻組合消除了電離層影響，但會(huì)放大偽距測量噪聲，導(dǎo)致最終該組合模型噪聲較大，定位誤差稍大于單頻結(jié)果。但另一方面，由于雙頻測量不受電離層格網(wǎng)點(diǎn)分布、是否可用影響，可用于增強(qiáng)定位的衛(wèi)星數(shù)量增多，弧段邊長使雙頻服務(wù)的覆蓋范圍明顯增大，因此可用性、連續(xù)性等有所提升。評(píng)估時(shí)段內(nèi)的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)雙頻多星座服務(wù)性能滿足APV-I等級(jí)要求。

圖7 2021年6月15日北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)雙頻多星座服務(wù)北京站定位誤差統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.7 Positioning error histogram of BDSBAS DFMC service at Beijing station (June 15, 2021)

圖8 2021年6月15日北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)雙頻多星座服務(wù)北京站水平/垂直斯坦福圖Fig.8 Horizontal/vertical Stanford chart of BDSBAS DFMC service at Beijing station (June 15, 2021)

4 結(jié) 論

本文介紹了星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的基本概念和互操作現(xiàn)狀，結(jié)合國際民航組織星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施草案的制定進(jìn)展，對(duì)星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的兼容互操作問題進(jìn)行了分析和研究。對(duì)于單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)而言，由于目前單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施國際標(biāo)準(zhǔn)中只能選擇全球定位系統(tǒng)時(shí)或者格洛納斯系統(tǒng)時(shí)作為基準(zhǔn)，因此，北斗單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)選擇暫時(shí)以全球定位系統(tǒng)時(shí)為基準(zhǔn)、與全球定位系統(tǒng)時(shí)之間進(jìn)行時(shí)間同步。后續(xù)，待單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施修訂工作重新啟動(dòng)，推進(jìn)北斗進(jìn)入單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施后，將升級(jí)為以北斗系統(tǒng)時(shí)為基準(zhǔn)。對(duì)于雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)，由于需要對(duì)多個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座進(jìn)行增強(qiáng)，涉及到更多的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，因此，星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的互操作實(shí)現(xiàn)比單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)更為復(fù)雜。為此，國際民航組織星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合工作組研究和制定了雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與被增強(qiáng)星基增強(qiáng)系統(tǒng)參考時(shí)間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間兼容。

針對(duì)星基增強(qiáng)系統(tǒng)互操作時(shí)間基準(zhǔn)的上述國際標(biāo)準(zhǔn)最新要求，北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件狀態(tài)升級(jí)與服務(wù)性能初步測試。結(jié)果表明，對(duì)于單頻模式而言，北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與全球定位系統(tǒng)時(shí)之間的偏差最大為37 ns，滿足國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)中50 ns的指標(biāo)要求；對(duì)于雙頻多星座模式而言，北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)與北斗系統(tǒng)時(shí)之間的時(shí)間偏差最大為0.17 μs，滿足國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)中1 μs的指標(biāo)要求。在時(shí)間同步基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步開展了北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)性能測試，結(jié)果表明，測試期間北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)單頻服務(wù)的精度、可用性滿足國際民航組織APV-I指標(biāo)要求，但連續(xù)性未能達(dá)標(biāo)；北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)雙頻多星座服務(wù)的精度、可用性、連續(xù)性均滿足國際民航組織APV-I指標(biāo)要求。測試結(jié)果證明了北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)互操作方法的可行性和可靠性。

后續(xù)，北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)將繼續(xù)開展國際民航組織國際標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)合研究與制定工作，并積極推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施標(biāo)準(zhǔn)，成為單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)增強(qiáng)選擇對(duì)象。同時(shí)，持續(xù)開展系統(tǒng)建設(shè)與服務(wù)性能優(yōu)化，以早日提供符合國際標(biāo)準(zhǔn)的高性能、高安全航空導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。