雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性研究

戴凱陽，邵 搏*，丁 群，師 彬，張 鍵

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068；2. 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點實驗室，陜西 西安 710068)

1 概 述

星基增強(qiáng)系統(tǒng)可以提升基本衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在精度、完好性、連續(xù)性和可用性等方面的能力，當(dāng)基本系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，及時向用戶發(fā)出告警。目前，全球范圍內(nèi)正在運行的美國廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System, WAAS)、日本多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)(MTSAT Satellite-based Augmentation System, MSAS)、歐盟的歐洲地球同步導(dǎo)航重疊系統(tǒng)(European Geostationary Navigation Overlay Service, EGNOS)以及印度的GPS輔助靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS Aided GEO Augmentation Navigation, GAGAN)均為單頻(Single Frequency, SF)星基增強(qiáng)系統(tǒng)[1]。單頻星基增強(qiáng)系統(tǒng)由于電離層異常的影響，其服務(wù)性能尚未達(dá)到一類精密進(jìn)近(CAT I)指標(biāo)的要求。為了消除電離層異常對服務(wù)性能的影響，并利用多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的幾何布局提高增強(qiáng)星座服務(wù)性能，星基增強(qiáng)系統(tǒng)互操作工作組(Interoperability Working Group, IWG)和國際民航組織雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施(Standard And Recommended Practices, SARPs)工作組正在研究并制定雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)，以期實現(xiàn)一類精密進(jìn)近指標(biāo)的服務(wù)性能要求[2-5]。因此，雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)是未來星基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

我國的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)于2020年7月底正式運行，各方面的性能和精度正在不斷完善和提升，為我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展帶來新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)。在北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)不斷進(jìn)行性能提升和功能完善的同時，國家十四五規(guī)劃將北斗走出去列為重點研發(fā)任務(wù)。因此，我國積極參與了國際民航雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前，在國際民航組織開展的雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施的制定工作中，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為被增強(qiáng)對象、北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)作為服務(wù)提供商均寫入雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施，并且需要對其中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行驗證[2-5]。雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證是其中一項非常重要的內(nèi)容。2016年，德國航空航天中心對雙頻多星座地面增強(qiáng)系統(tǒng)(Ground Based Augmentation Systems, GBAS)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)衛(wèi)星信號進(jìn)行跟蹤，通過試驗數(shù)據(jù)分析對衛(wèi)星信號誤差進(jìn)行建模[6]。2018年，文[7]從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的航空應(yīng)用出發(fā)，進(jìn)行接收機(jī)天線對偽距性能的影響研究，通過模擬和電磁測量對天線引起的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)偽距誤差進(jìn)行建模，最后通過現(xiàn)場測試驗證了模型的正確性。2019年～2020年，美國、歐洲成立了聯(lián)合研究工作小組，工作組首先對導(dǎo)航信號多路徑誤差理論進(jìn)行研究，然后在空客A320加裝航空天線，依據(jù)大量航空數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析與驗證，最后完成了相應(yīng)的雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證[8]。我國北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)建成較晚，近幾年，雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)各方面內(nèi)容相繼開展研究和驗證，而關(guān)于雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性的工作尚未開展，并且國內(nèi)學(xué)者也未提出具體的方案和思路，北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)急需開展相關(guān)的研究工作。因此，本文開展了雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性研究，并提出雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證方法及試驗流程，最后通過試驗對其符合性進(jìn)行驗證。本文的研究希望能夠助力北斗導(dǎo)航系統(tǒng)盡早加入國際民航組織全球衛(wèi)星導(dǎo)航體系框架，推動北斗走出去國家戰(zhàn)略規(guī)劃。

2 基本原理

目前，美國和歐洲的雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性已經(jīng)通過國際民航組織認(rèn)證，本節(jié)首先從信號體質(zhì)方面進(jìn)行對比分析，然后基于國際民航組織雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差模型的驗證要求，對雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑特性驗證方法和流程進(jìn)行總結(jié)。

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號特征

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號特征是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)過程中性能設(shè)計方面需要考慮的首要因素。BPSK信號調(diào)制模式由于實現(xiàn)方式簡單、頻帶利用率較高且自身具有恒包絡(luò)性等特點，在早期的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號調(diào)制方式中得到了充分應(yīng)用。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，國際社會對空間資源愈發(fā)重視，空間頻譜資源、噪聲誤差、多路徑效應(yīng)等逐漸成為影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的主要因素，在相同帶寬、相同頻段的統(tǒng)一條件下，BOC調(diào)制信號相對于傳統(tǒng)的BPSK調(diào)制信號有更加優(yōu)秀的表現(xiàn)，不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間能夠更好地利用頻帶資源[9]。因此，BOC調(diào)制模式逐步建立并得到新的發(fā)展和應(yīng)用。BDS，GPS和GALILEO雙頻信號特征如表1。

表1 BDS，GPS和GALILEO雙頻信號特征Table 1 Dual frequency signal characteristics of BDS，GPS and GALILEO

由表1可以看到，在1 575.42 MHz頻點，3個系統(tǒng)碼速率一致；在調(diào)制方式方面，GPS采用BPSK(1)，而BDS與GALILEO則采用在抗多徑效應(yīng)、噪聲誤差以及空間頻譜資源等方面較好的BOC(1, 1)調(diào)制模式。由于本文主要關(guān)注導(dǎo)航衛(wèi)星多路徑誤差特性，而碼長對信號多徑性能沒有影響。在1 176.45 MHz頻點，3個系統(tǒng)的調(diào)制方式都采用BPSK(10)模式，其碼速率、碼長也均保持一致。因此，BDS，GPS和GALILEO雙頻信號特征基本一致。

2.2 雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證方案設(shè)計

國際民航組織針對雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證有兩方面要求：(1)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多路徑誤差特性需要滿足國際民航多路徑誤差模型[10]包絡(luò)要求，多路徑誤差模型為

σMP&AGDV=0.34+0.4exp(-El/14°)；

(1)

(2)接收機(jī)天線群延時需要滿足航空無線電技術(shù)委員會(Radio Technical Committee for Aeronautics, RTCA)DO-373標(biāo)準(zhǔn)航空天線群延時特性[11]包絡(luò)要求，標(biāo)準(zhǔn)航空天線群延時特性為

(2)

以上兩式中，σMP&AGDV為雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差標(biāo)準(zhǔn)差；El為高度角；AGD為接收機(jī)天線群延時。

基于以上兩方面要求，本節(jié)結(jié)合GNSS數(shù)據(jù)處理方法和多路徑誤差特性提出了雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證的具體方法和試驗流程，如圖1。

圖1 雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證流程圖Fig.1 Flow chart of DFMC BDSBAS multi-path error characteristics

雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性試驗驗證的具體步驟：

(1)接收機(jī)天線群延時試驗，具體的試驗步驟為

①在微波暗室進(jìn)行試驗環(huán)境搭建，各儀器設(shè)備連接完成后，利用水平儀對標(biāo)準(zhǔn)天線和被測天線進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證兩天線垂直中心線方向重合；

②在雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)頻點處校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對于北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)，即B1C (1 575.42 MHz)頻點和B2a (1 176.45 MHz)頻點；

③給被測航空天線加5 V電壓；

④從0°高度角開始，控制被測航空天線旋轉(zhuǎn)一周，在方位角Az為0°，10°，20°，30°，…，330°，340°，350°時，記錄矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的天線群延時值Γ(Az,El)，其中，El為高度角，Az為方位角；

⑤依次進(jìn)行步驟④操作，完成高度角方向(5°，10°，15°，20°，…，80°，85°，90°)的天線群延時值Γ(Az,El)測試，并記錄相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)；

⑦繪制最大天線群延遲Γ(El)max隨高度角變化曲線，驗證該曲線是否被DO-373標(biāo)準(zhǔn)天線群延時規(guī)定曲線所包絡(luò)。

(2)對GNSS原始偽距觀測值和載波相位觀測值進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要步驟包括數(shù)據(jù)篩選、粗差剔除、周跳探測和標(biāo)記。

①數(shù)據(jù)篩選主要剔除雙頻信噪比小于28 dBHz對應(yīng)的偽距和載波相位觀測值。

②粗差剔除是對雙頻偽距觀測值相差大于50 m的歷元對應(yīng)的偽距和載波相位觀測值做剔除處理。

③本文中周跳探測使用的方法是無幾何距離(Geometry Free, GF)周跳檢測和MW(Melbourne-Wubeena combination)組合周跳檢測，并對檢出的周跳歷元進(jìn)行標(biāo)記，無幾何距離周跳檢測量bGF為

bGF=λ1φ1-λ2φ2，

(3)

當(dāng)載波相位觀測值沒有周跳時，其序列在一個與模糊度相關(guān)的常數(shù)附近波動。MW組合周跳檢測量bMW為

(4)

當(dāng)載波相位觀測值沒有周跳時，bMW理論上為一個常量，受接收機(jī)噪聲的影響，其序列在某一常數(shù)附近波動。以上兩式中，ρ1和ρ2分別為兩個頻點的偽距觀測值；φ1和φ2分別為兩個頻點的載波相位觀測值；λ1和λ2分別為兩個頻點的波長；f1和f2分別為兩個頻點的頻率。

(3)將雙頻偽距觀測值和載波相位觀測值分別組成虛擬無電離層組合觀測值，并作差，

(5)

(6)

CMCif=ρif-φif，

(7)

其中，ρif和φif為雙頻無電離層組合后的偽距和載波相位觀測值；CMCif為雙頻無電離層組合觀測值的CMC(Code Minus Carrier)，此時的CMCif通過觀測值之間的線性組合消除電離層誤差項的影響，因此，只含有雙頻無電離層組合的多路徑誤差和高頻噪聲。

(4)依據(jù)步驟(1)中雙頻載波觀測值序列檢出的周跳的標(biāo)記位置，消除CMCif觀測值序列中整周模糊度的影響，獲得初始多路徑誤差序列，

(8)

(9)

3 雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性試驗

基于雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證流程，本節(jié)進(jìn)行試驗驗證。首先選用諾瓦泰G5Ant-743AT1-A2航空天線進(jìn)行群延時測定；然后利用試驗天線采集BDS，GPS和GALILEO雙頻觀測數(shù)據(jù)并進(jìn)行多路徑誤差特性分析；最后對雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性曲線與國際民航多路徑誤差模型的符合性進(jìn)行驗證。

3.1 接收機(jī)天線群延時測定

天線群延時試驗一般在微波暗室中進(jìn)行。在微波暗室中進(jìn)行接收機(jī)天線群延時試驗的設(shè)備連接示意圖如圖2。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要用于電磁波信號的設(shè)置、生成、接收和測試；標(biāo)準(zhǔn)天線發(fā)射固定頻率的電磁波信號；被測天線接收相應(yīng)的電磁波信號；直流電源通過直流耦合器為被測天線提供電源；直流耦合器主要將直流電與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀隔開，以防止損壞。

圖2 接收機(jī)天線群延時試驗設(shè)備連接示意圖Fig.2 Equipments connection diagram of antenna group delay test

諾瓦泰G5Ant-743AT1-A2航空天線如圖3(a)，微波暗室中進(jìn)行接收機(jī)天線群延時測定的環(huán)境如圖3(b)。

圖3 (a)被測天線諾瓦泰G5Ant-743AT1-A2；(b)微波暗室試驗環(huán)境Fig.3 (a)G5Ant-743AT1-A2 antenna；(b)actual environment of anechoic chamber

依據(jù)天線群延時試驗步驟，G5Ant-743AT1-A2航空天線在1 575.42 MHz頻點和1 176.45 MHz頻點最大天線群延時隨高度角變化曲線分別如圖4和圖5，圖中黑色虛線為DO-373標(biāo)準(zhǔn)天線群延時包絡(luò)線，藍(lán)色實線為實測各高度角對應(yīng)的最大天線群延時曲線。由圖4和圖5可以看出，G5Ant-743AT1-A2航空天線各高度角最大天線群延時被標(biāo)準(zhǔn)曲線所包絡(luò)，證明其在B1C(1 575.42 MHz)和B2a(1 176.45 MHz)頻點的天線群延遲特性符合DO-373標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖4 1 575.42 MHz頻點最大天線群延時變化曲線Fig.4 Maximum antenna group delay of G5Ant-743AT1-A2 on 1 575.42 MHz

圖5 1 176.45 MHz頻點最大天線群延時變化曲線Fig.5 Maximum antenna group delay of G5Ant-743AT1-A2 on 1 176.45 MHz

3.2 雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證

基于滿足DO-373標(biāo)準(zhǔn)天線群延時要求的G5Ant-743AT1-A2航空天線，在西安草堂進(jìn)行雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差試驗，諾瓦泰航空天線架設(shè)情況如圖6(a)，天線周圍空曠無遮擋。為了模擬飛機(jī)蒙皮多路徑誤差環(huán)境，航空天線下方加裝了直徑約為1.2 m的大鋁板[11]。數(shù)據(jù)采集使用的Septentrio PolaRx5商用接收機(jī)如圖6(b)。

圖6 (a)NovAtel航空天線架設(shè)環(huán)境；(b)Septentrio PolaRx5接收機(jī)Fig.6 (a)Environment of NovAtel antenna；(b)Septentrio PolaRx5 receiver

本次試驗采集了2021年4月4日到11日為期8天的GNSS原始觀測數(shù)據(jù)，包括BDS雙頻B1C和B2a頻點，GPS雙頻L1C/A和L5頻點以及GALILEO雙頻E1和E5a頻點，數(shù)據(jù)采樣率設(shè)置為1 s，衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為5°。

根據(jù)雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理后的BDS，GPS和GALILEO雙頻無電離層組合的多路徑誤差特性變化曲線結(jié)果如圖7。圖中，紅色曲線為國際民航組織雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差模型包絡(luò)曲線，藍(lán)色、粉色和綠色曲線分別為解算后的BDS，GPS和GALILEO雙頻多路徑誤差特性隨高度角的變化曲線。由圖7可以看出，3個系統(tǒng)雙頻多路徑誤差特性曲線的變化趨勢基本一致，且被國際民航組織多路徑誤差模型所包絡(luò)。因此，雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性符合國際民航組織雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差模型要求。

圖7 BDS，GPS和GALILEO雙頻多路徑誤差特性曲線Fig.7 σMP&AGDV characteristics of BDS (blue)，GPS (pink)and GALILEO (Green)

4 總 結(jié)

本文首先從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號特征出發(fā)，比較了BDS B1C和B2a，GPS L1C/A和L5以及GALILEO E1和E5a頻點的信號特征，然后基于國際民航組織雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差模型驗證要求，提出了雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性驗證方法和具體的試驗流程，最后利用GNSS原始雙頻觀測數(shù)據(jù)對其與國際民航組織雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑模型的符合性進(jìn)行試驗驗證。結(jié)果表明，BDS雙頻多路徑誤差特性與GPS和GALILEO基本一致，并且滿足國際民航組織雙頻多星座星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑模型包絡(luò)要求。本文為雙頻多星座北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)多路徑誤差特性分析研究提供了具體的研究方法和試驗步驟，助力北斗系統(tǒng)加入國際民航組織全球衛(wèi)星導(dǎo)航體系框架[12-13]，推動北斗走出去國家戰(zhàn)略規(guī)劃。

致謝：感謝德國航空航天中心課題組提供的參考資料！