陳 杰，黃智剛，李 銳，韓春陽

(1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

1 引言

目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global positioning system，GPS) 的開放服務(wù)定位精度為10 m左右[1]，尚不能滿足對(duì)精度和可靠性要求高的用戶需求，系統(tǒng)性能的提升技術(shù)已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其中差分增強(qiáng)技術(shù)作為有效提升全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的手段之一，大大推動(dòng)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。差分增強(qiáng)技術(shù)根據(jù)服務(wù)區(qū)域的范圍分類，可分為廣域和局域，根據(jù)觀測(cè)值分類，可分為基于碼偽距的差分增強(qiáng)和基于載波相位的精密定位，典型代表分別為廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(wide area augmentation system， WAAS)、全球差分GPS系統(tǒng)(global differential GPS， GDGPS)、局域增強(qiáng)系統(tǒng)(local area augmentation system， LAAS)和連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations， CORS)。

為了便于測(cè)試分析和縮短研發(fā)周期，科研單位和商業(yè)機(jī)構(gòu)開發(fā)了多種仿真平臺(tái)，按照輸出方式可以分為射頻信號(hào)輸出和純數(shù)字輸出兩類。輸出射頻信號(hào)的典型仿真平臺(tái)是美國(guó)思博倫(Spirent)公司的GSS8000系統(tǒng)，該系統(tǒng)在控制器計(jì)算機(jī)上運(yùn)行SimGEN軟件并通過信號(hào)發(fā)生器提供射頻輸出信號(hào)，可用于單個(gè)接收機(jī)的測(cè)試。受限于計(jì)算機(jī)硬件，組網(wǎng)的多臺(tái)機(jī)箱無法實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的納秒級(jí)同步，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)仿真。純數(shù)字輸出的仿真平臺(tái)能夠克服時(shí)鐘同步的問題，歐洲航天局(European space agency，ESA)開發(fā)的伽利略系統(tǒng)仿真工具(Galileo system simulation facility， GSSF)[2]可配置星座、監(jiān)測(cè)站和用戶，具備衛(wèi)星可視性、監(jiān)測(cè)站覆蓋深度等初步分析功能。然而GSSF僅能按照仰角配置用戶等效測(cè)距誤差，無法單獨(dú)配置各個(gè)偽距誤差影響因子，此外用戶段只支持靜態(tài)用戶或者區(qū)域網(wǎng)格，未提供用戶接收機(jī)動(dòng)態(tài)模擬功能，限制了用戶定制仿真場(chǎng)景的深度。用戶獲得ESA授權(quán)才能使用GSSF，進(jìn)一步限制了其應(yīng)用范圍。

本文設(shè)計(jì)了面向差分和完好性研究需求的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)，能夠靈活深入配置仿真參數(shù)，特有完好性故障仿真功能，具備用戶接收機(jī)多類型運(yùn)動(dòng)能力，采用接收機(jī)自主交換格式[3](receiver independent exchange format， RINEX)和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品3軌道格式[4](extended standard product 3 orbit format， SP3-c)輸出，向用戶插件開放數(shù)據(jù)接口，支持差分增強(qiáng)技術(shù)的系統(tǒng)級(jí)和用戶級(jí)仿真數(shù)據(jù)生成與分析。

2 總體設(shè)計(jì)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)主要用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)字仿真，為差分增強(qiáng)技術(shù)研究提供高逼真度的數(shù)據(jù)源。該平臺(tái)允許用戶通過文本和圖形界面兩種方式靈活配置星座、偽距誤差、監(jiān)測(cè)站和用戶接收機(jī)等參數(shù)，具備完好性故障仿真的功能，按照普遍采用的RINEX和SP3格式輸出仿真數(shù)據(jù)，開放數(shù)據(jù)接口提高平臺(tái)可拓展能力。

該仿真平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為五大模塊：控制模塊、交互模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、運(yùn)算模塊和輸出模塊，五大模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及模塊間關(guān)系如圖1所示。

圖1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)

交互模塊包括文本文件讀取模塊和圖形界面交互模塊，前者負(fù)責(zé)從文本讀入星座和監(jiān)測(cè)站配置信息，后者用于實(shí)現(xiàn)選擇衛(wèi)導(dǎo)系統(tǒng)和查看衛(wèi)星參數(shù)、查看和編輯監(jiān)測(cè)站參數(shù)、設(shè)定用戶接收機(jī)類型和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)、配置偽距誤差模型參數(shù)、配置完好性故障參數(shù)、設(shè)定仿真時(shí)間等功能。

數(shù)據(jù)庫模塊用于存儲(chǔ)、讀取和修改衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫、偽距誤差模型數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)庫、用戶接收機(jī)數(shù)據(jù)庫和完好性故障數(shù)據(jù)庫。衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫包含星座、名稱、軌道、時(shí)鐘等參數(shù)，偽距誤差模型數(shù)據(jù)庫包含星歷、星鐘、電離層、對(duì)流層、接收機(jī)鐘差、熱噪聲及多徑誤差等模型參數(shù)，監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)庫包含名稱、位置、時(shí)鐘、觀測(cè)高度截止角等參數(shù)，用戶數(shù)據(jù)庫包含位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、接收機(jī)觀測(cè)類型等參數(shù)，完好性故障數(shù)據(jù)庫包含星歷故障、星鐘故障、電離層風(fēng)暴、監(jiān)測(cè)站故障的起止時(shí)間和故障模型參數(shù)。

運(yùn)算模塊包括偽距誤差模型、完好性故障模型和用戶接收機(jī)動(dòng)態(tài)模型。偽距誤差模型分為星鐘誤差模型、星歷誤差模型、電離層誤差模型、對(duì)流層誤差模型、接收機(jī)鐘差模型和熱噪聲及多徑誤差模型，用于模擬信號(hào)從產(chǎn)生到接收運(yùn)算過程中的關(guān)鍵影響因素。完好性故障模型分為星歷故障模型、星鐘故障模型、電離層風(fēng)暴模型、監(jiān)測(cè)站時(shí)鐘故障模型和接收機(jī)單通道故障模型。用戶接收機(jī)動(dòng)態(tài)模型用于生成用戶接收機(jī)的實(shí)時(shí)位置，并計(jì)算多普勒頻移對(duì)觀測(cè)值的影響。

輸出模塊負(fù)責(zé)輸出仿真結(jié)果。為了便于數(shù)據(jù)交換，該平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)格式輸出數(shù)據(jù)：根據(jù)RINEX 2.10格式輸出導(dǎo)航電文和觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中每個(gè)監(jiān)測(cè)站包含3臺(tái)接收機(jī)，經(jīng)過一致性校驗(yàn)后輸出2臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)類型包括多個(gè)頻點(diǎn)的碼偽距和載波相位；根據(jù)SP3-c格式輸出精密星歷。此外能夠以動(dòng)畫形式演示星下點(diǎn)軌跡。

控制模塊實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)整體控制，提供接口用于各模塊間數(shù)據(jù)交換。此外，控制模塊具備調(diào)用用戶插件的功能，預(yù)置了格網(wǎng)電離層垂直誤差(grid ionospheric vertical error，GIVE)、接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè) (receiver autonomous integrity monitoring，RAIM)、用戶測(cè)距精度(user range accuracy， URA)、用戶差分距離誤差(user differential range error， UDRE)和監(jiān)測(cè)站覆蓋深度等插件的按鈕。

圖2 仿真平臺(tái)界面(BDS和GPS雙系統(tǒng))

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 參數(shù)配置靈活

差分增強(qiáng)系統(tǒng)一般針對(duì)特定的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)向一定區(qū)域內(nèi)用戶提供服務(wù)，大氣條件、接收環(huán)境根據(jù)區(qū)域不同而存在差異。為了滿足用戶深入便捷定制仿真場(chǎng)景的需求，該平臺(tái)向用戶提供了文本和圖形化界面兩種方式，允許用戶配置星座、偽距誤差、監(jiān)測(cè)站和用戶接收機(jī)等參數(shù)。

星座參數(shù)可通過圖形界面和文本兩種方式配置，圖形界面提供衛(wèi)星系統(tǒng)選擇、衛(wèi)星信息查閱功能，文本包含衛(wèi)星的名稱、健康狀況和軌道參數(shù)。該平臺(tái)預(yù)置我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system， BDS)、美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system， GLONASS)和歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)的星座配置文本。

偽距誤差模型參數(shù)可通過圖形界面配置。星鐘誤差模型采用高斯馬爾科夫模型，可配置參數(shù)為天穩(wěn)定度、秒穩(wěn)定度、初始頻偏、初始鐘偏；星歷誤差模型采用高斯馬爾科夫模型，可配置參數(shù)為相關(guān)時(shí)間、采樣間隔和星歷誤差標(biāo)準(zhǔn)差；電離層誤差模型采用Klobuchar模型[5]，可配置參數(shù)分為生成參數(shù)和廣播參數(shù)兩部分，預(yù)置太陽黑子平靜期和活躍期兩組參數(shù)；對(duì)流層誤差模型采用WAAS的對(duì)流層模型[6]，可配置不同緯度區(qū)域的對(duì)流層參數(shù)；接收機(jī)鐘差模型采用原子鐘模型[7]，可配置參數(shù)為初始頻偏、初始鐘偏和采樣間隔；熱噪聲及多徑誤差模型采用WAAS的熱噪聲和多徑模型[6]。該平臺(tái)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)預(yù)設(shè)各個(gè)模型參數(shù)。

監(jiān)測(cè)站參數(shù)配置方式分為文本和圖形界面兩種方式，文本僅包含監(jiān)測(cè)站的名稱、類別、健康狀況和經(jīng)緯高，圖形界面顯示的監(jiān)測(cè)站信息除了文本文件所含內(nèi)容外，還包括監(jiān)測(cè)站時(shí)鐘初始鐘差和頻差、對(duì)流層延遲干分量和濕分量，用戶還可通過直接點(diǎn)擊主界面地圖實(shí)現(xiàn)新建、刪除和編輯監(jiān)測(cè)站信息。該平臺(tái)預(yù)置中國(guó)區(qū)域27個(gè)監(jiān)測(cè)站配置文本。

用戶接收機(jī)參數(shù)通過圖形界面配置，可配置參數(shù)包括初始經(jīng)緯高、單頻或雙頻接收機(jī)、接收機(jī)高度截止角和用戶運(yùn)動(dòng)信息，用戶運(yùn)動(dòng)類型可分為靜止、勻速直線和勻速圓周運(yùn)動(dòng)三類。

3.2 完好性故障仿真

差分增強(qiáng)系統(tǒng)通過播發(fā)完好性信息來提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障或某項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)偏差過大，使系統(tǒng)提供的定位結(jié)果超出規(guī)定限值時(shí)，增強(qiáng)系統(tǒng)需及時(shí)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)通告用戶。

為了滿足用戶分析差分增強(qiáng)技術(shù)對(duì)完好性風(fēng)險(xiǎn)處理能力的需求，該平臺(tái)設(shè)計(jì)了完好性故障仿真功能。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，星鐘誤差、星歷誤差和電離層誤差是導(dǎo)致完好性風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，此外接收機(jī)鐘差也會(huì)導(dǎo)致定位結(jié)果超差。因此將完好性故障分為衛(wèi)星故障、電離層風(fēng)暴和監(jiān)測(cè)站故障三類，可單獨(dú)設(shè)定每一類故障的起止時(shí)間。

(1)

Ik=IKlobuchar+IError

(2)

監(jiān)測(cè)站故障分為監(jiān)測(cè)站時(shí)鐘故障和接收機(jī)單通道故障，用戶可對(duì)每一個(gè)監(jiān)測(cè)站單獨(dú)設(shè)定時(shí)鐘故障etk和接收機(jī)通道故障。在監(jiān)測(cè)站故障有效期間，由于監(jiān)測(cè)站的3臺(tái)接收機(jī)時(shí)鐘共源，時(shí)鐘故障疊加到每一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)量。

tk=tk|k-1+etk

(3)

接收機(jī)天線間距離較近，因此接收機(jī)單通道故障可由一致性檢驗(yàn)算法檢出，僅輸出無故障的2臺(tái)接收機(jī)數(shù)據(jù)。

3.3 平臺(tái)可擴(kuò)展

為了提高該平臺(tái)的可擴(kuò)展性，便于用戶在該平臺(tái)基礎(chǔ)上開展后續(xù)研究工作，用戶自定義插件可通過該平臺(tái)開放的數(shù)據(jù)接口，獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)、偽距誤差模型數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)、用戶接收機(jī)數(shù)據(jù)和完好性故障數(shù)據(jù)，可按照RINEX格式和SP3格式讀取該平臺(tái)輸出數(shù)據(jù)。程序預(yù)留了GIVE、RAIM、URA、UDER和監(jiān)測(cè)站覆蓋深度等5個(gè)插件按鈕，用戶可直接點(diǎn)擊調(diào)用相應(yīng)的插件。

以“監(jiān)測(cè)站覆蓋深度分析”插件為示例，該插件通過數(shù)據(jù)接口獲取該平臺(tái)預(yù)置的GPS星座和27個(gè)監(jiān)測(cè)站，完成監(jiān)測(cè)站覆蓋深度分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)站覆蓋深度插件示例

4 性能測(cè)試

該平臺(tái)旨在為差分和完好性研究提供規(guī)范逼真的數(shù)據(jù)源，因此需要對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，以確保該平臺(tái)輸出數(shù)據(jù)達(dá)到接收機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的性能，并可滿足差分增強(qiáng)技術(shù)仿真需求。對(duì)于用戶接收機(jī)端完好性算法而言，并不關(guān)心各誤差源分量的特性，只關(guān)心偽距殘差的整體數(shù)學(xué)特征，并且性能測(cè)試以定位誤差為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。GrafNav是美國(guó)NovAtel公司開發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system， GNSS)后處理軟件，具備高精度定位和長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法(real-time kinematic，RTK)解算能力，本節(jié)利用GrafNav 8.40在定位域上對(duì)該平臺(tái)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行性能分析。

4.1 靜態(tài)單點(diǎn)定位

為了驗(yàn)證該平臺(tái)輸出數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)、分析輸出數(shù)據(jù)的定位精度，進(jìn)行了靜態(tài)定位測(cè)試。以BJFS站在2012-01-01的觀測(cè)數(shù)據(jù)為對(duì)比，在仿真平臺(tái)中添加與BJFS站相同坐標(biāo)的監(jiān)測(cè)站BEIJ，仿真時(shí)長(zhǎng)為1 d，采樣間隔為30 s，均為雙頻接收機(jī)。

首先，利用GrafNav進(jìn)行基本定位，如圖5所示，左側(cè)為仿真數(shù)據(jù)定位結(jié)果，右側(cè)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)定位結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

其一，定位誤差相近：仿真數(shù)據(jù)定位落在半徑為6 m的圓內(nèi)(99%)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)定位落在半徑為6 m的圓內(nèi)(99%)。

其二，定位分布存在差異：仿真數(shù)據(jù)定位呈條狀，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)定位呈散點(diǎn)狀。星歷誤差和星鐘誤差是定位的主要誤差源，該平臺(tái)采用馬爾科夫模型，前后時(shí)隙相關(guān)性較強(qiáng)，難以逼真地模擬真實(shí)誤差。

圖5 基本定位對(duì)比

隨后，利用GrafNav進(jìn)行精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP )，PPP利用精密星歷消除軌道誤差和星鐘誤差對(duì)定位的影響，電離層延遲、對(duì)流層延遲、接收機(jī)鐘差等因素對(duì)定位結(jié)果起主導(dǎo)作用。如圖6所示，左側(cè)為仿真數(shù)據(jù)精密定位結(jié)果，落在半徑為0.5 m的圓內(nèi)(99%)，右側(cè)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)精密定位結(jié)果，落在半徑為0.3 m的圓內(nèi)(99%)。由此可知，仿真數(shù)據(jù)定位結(jié)果略差于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)定位結(jié)果相比，但都顯示出條狀的分布特性。

圖6 精密單點(diǎn)定位對(duì)比

通過分析基本定位和精密單點(diǎn)定位的結(jié)果可知，該平臺(tái)接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)規(guī)范有效，在靜態(tài)條件下與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的定位性能相當(dāng)。

4.2 動(dòng)態(tài)差分增強(qiáng)

為了驗(yàn)證該平臺(tái)可支持差分增強(qiáng)技術(shù)研究，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)差分增強(qiáng)仿真。模擬民航飛機(jī)航路區(qū)飛行進(jìn)行分析，以監(jiān)測(cè)站BEIJ為基準(zhǔn)站，飛機(jī)起始位置為(115.0°E，39.6°N)，飛行高度為10 000 m，航行速度為東向200 m/s，仿真時(shí)長(zhǎng)為15 min，采樣間隔為1 s，均為雙頻接收機(jī)。圖7為GrafNav解算得到的飛行軌跡，用戶接收機(jī)由西向東經(jīng)過BEIJ站上空，地面投影的航跡長(zhǎng)約140 km。

圖7 運(yùn)動(dòng)軌跡

為了分析差分增強(qiáng)效果，在圖8繪制了實(shí)曲線和虛曲線，分別表示差分前和差分后的水平定位誤差。定位誤差(均方根)從2.30 m降到0.11 m，定位精度大幅提高，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)性能相當(dāng)[9]，可見該平臺(tái)能夠支持差分增強(qiáng)技術(shù)的仿真。用戶可通過布設(shè)多個(gè)監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)差分增強(qiáng)技術(shù)和精密定位技術(shù)的系統(tǒng)級(jí)分析研究。

圖8 水平差分增強(qiáng)效果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了以差分和完好性研究需求為導(dǎo)向的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)，具備參數(shù)靈活配置、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化輸出和平臺(tái)可擴(kuò)展的特點(diǎn)，特有完好性故障仿真功能。性能測(cè)試結(jié)果表明，該平臺(tái)模擬接收機(jī)性能達(dá)到真實(shí)接收機(jī)的性能，可以同時(shí)支持WAAS、GDGPS、LAAS和CORS等差分增強(qiáng)技術(shù)與精密定位技術(shù)的用戶級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真研究。

[1] U.S. Department of Defense. Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard[EB/OL]. [2013-09-07].http：//www.gps.gov/technical/ps/2008-SPS-performance-standard.pdf.

[2] ZIMMERMANN F， HAAK T， HILL C. Galileo System Simulation Facility[EB/OL]. [2013-09-07].http：//www.gssf.info/Documents/SESP%202004%20-%20Galileo%20System%20Simulation%20Facility%20-%20Issue%201%20-%20Revision%201.pdf .

[3] GURTNER W. RINEX：The Receiver Independent Exchange Format Version 2.10[EB/OL].[2013-09-07].http：//igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex210.txt.

[4] HILLA S. The Extended Standard Product 3 Orbit Format (SP3-c)[EB/OL].[2013-09-07].http：//igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/sp3c.txt.

[5] KLOBUCHAR J A. Ionospheric Time-delay Algorithm for Single-frequency GPS Users [EB/OL]. [2013-09-07].http：//www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a229968.pdf.

[6] RTCA. DO-229D， Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment [S].

[7] SHIN M Y， PARK C， LEE S J. Atomic Clock Error Modeling for GNSS Software Platform[C]//Proceedings of Position， Location and Navigation Symposium， 2008 IEEE/ION. Monterey， CA：[s.n.]，2008：71-76.

[8] LUO Ming， PULLEN S， DENNIS J， et al. LAAS Ionosphere Spatial Gradient Threat Model and Impact of LGF and Airborne Monitoring[EB/OL]. [2013-09-07].http：//gps.stanford.edu/papers/LuoIONGPS03.pdf.

[9] 黑志堅(jiān)， 周秋生， 曲建光， 等. GPS RTK 測(cè)量成果的精度估計(jì)及應(yīng)用探討[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 38(8)：1295-1298.