于敬巨，張如偉，張彥超，胡彩亮

北斗星基增強系統(tǒng)增強定位方法和效果研究

于敬巨，張如偉，張彥超，胡彩亮

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

北斗星基增強系統(tǒng)BDSBAS通過地球同步軌道衛(wèi)星實時播發(fā)導航衛(wèi)星星歷改正數(shù)等增強信息，提高用戶全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位精度，提升服務水平，是北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)相關(guān)標準協(xié)議文件研究了BDSBAS增強定位算法，并在自主研發(fā)的北斗星基增強系統(tǒng)監(jiān)測接收機上設計實現(xiàn)了BDSBAS增強信號的接收，完成了單頻和雙頻實時增強定位解算。實測結(jié)果表明：BDSBAS-B1C增強信號能有效提高GPS L1C/A的單頻定位精度，相比于標準服務單頻定位結(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增強信號能一定程度提高BDS B1C-B2a的雙頻無電離層組合定位精度，相比較于標準服務雙頻定位結(jié)果，水平和高程方向精度分別提升了6.15%和5.83%，提升后定位精度達到分米級。

BDSBAS；增強定位；北斗星基增強系統(tǒng)監(jiān)測接收機

引言

不同于一般大眾應用領(lǐng)域，航空業(yè)等關(guān)乎生命安全的行業(yè)領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度、完好性和連續(xù)性等指標提出了更高的要求[1]。星基增強系統(tǒng)SBAS是重點面向此類行業(yè)領(lǐng)域用戶的廣域差分和完好性增強技術(shù)。作為北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)六大服務之一[2,3]，北斗星基增強系統(tǒng)BDSBAS與北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)一體化設計和規(guī)劃，是北斗全球衛(wèi)星導航系統(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，提升服務水平，是滿足我國民航、鐵路、航運等關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域高精度和高完好性需求的重要手段[4]。

隨著北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的正式開通，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)BDS的重點工作已從工程建設轉(zhuǎn)移到維護穩(wěn)定運行、提高服務水平上來，北斗星基增強系統(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增強信號播發(fā)各個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，向中國及周邊地區(qū)用戶提供符合國際民航組織ICAO標準的單頻SF（Single-Frequency）服務和雙頻多星座DFMC（Double-Frequency Multi-Constellation）服務，提高原有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度[6]。

本文根據(jù)中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的接口控制文件和SBAS國際標準對BDSBAS單頻和雙頻增強定位方法進行了研究，在自主研發(fā)的BDSBAS監(jiān)測接收機平臺上設計實現(xiàn)了增強定位解算，并就BDSBAS增強信號對GPS L1C/A單頻和BDS B1C-B2a雙頻實時增強定位進行了實測，對定位增強效果進行了初步分析。

1 BDSBAS簡介

BDSBAS與BDS一體化設計與建設，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]?？臻g段由3顆GEO衛(wèi)星組成，通過BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a信號播發(fā)增強電文信息，提供覆蓋亞太地區(qū)的SF和DFMC增強服務。地面段由運行控制中心、數(shù)據(jù)處理中心、注入站和監(jiān)測站組成。地面監(jiān)測站對導航衛(wèi)星進行連續(xù)跟蹤監(jiān)測，獲取偽距、載波相位和導航電文等信息，通過專用通信網(wǎng)絡傳輸至主控站數(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數(shù)據(jù)，經(jīng)由主控站運行控制中心接收比對后上注北斗GEO衛(wèi)星，播發(fā)至服務區(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)應用的BDSBAS設備。

圖1 BDSBAS系統(tǒng)架構(gòu)組成

BDSBAS按照國際民航組織標準和規(guī)范要求開展設計與建設，與美國的廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）、歐洲的地球靜止導航重疊服務（EGNOS）、印度GPS輔助地球靜止軌道衛(wèi)星增強導航（GAGAN）及日本的多功能增強系統(tǒng)（MSAS）等星基增強系統(tǒng)實現(xiàn)兼容與互操作[10-12]。BDSBAS系統(tǒng)播發(fā)BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a兩個頻段的增強信號，其中BDSBAS-B1C頻點采用ICAO所明確的SBAS SF L1標準信號體制，BDSBAS-B2a頻點采用目前正在聯(lián)合設計的SBAS DFMC L5標準信號體制[2]。兩個頻點增強信號對應BDSBAS提供兩種增強服務：單頻增強服務，由BDSBAS-B1C頻段的信號將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]；雙頻增強服務，由BDSBAS-B2a頻段的信號將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 定位解算設計

自主研發(fā)的BDSBAS監(jiān)測接收機支持所有GNSS系統(tǒng)及SBAS信號的實時接收解算，同時設計實現(xiàn)了實時SF和DFMC SBAS增強定位。本設計可以根據(jù)上位機監(jiān)控設置的配置參數(shù)，選擇不同GNSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)和不同SBAS系統(tǒng)播發(fā)的增強信息，實現(xiàn)實時單頻增強定位或雙頻無電離層組合增強定位，且能在選擇的SBAS系統(tǒng)服務不可用時，自動轉(zhuǎn)為標準服務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)測接收機定位解算流程圖

2.1 單頻增強算法

BDSBAS-B1C頻點播發(fā)單頻增強信息，用于修正GNSS的單頻定位精度。單頻增強信息提供電離層延遲、衛(wèi)星軌道位置和鐘差相應的修正參數(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)，用于穿刺點處電離層改正數(shù)解算。

其中0為播發(fā)的增強修正參數(shù)對應的廣播時間。

2.2 雙頻增強算法

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)增強服務成為可能，國際民航組織正積極推進雙頻多系統(tǒng)的SBAS標準制定[14]。以采用B1C和B2a導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算方法為：

3 實驗及效果分析

采用自研的BDSBAS監(jiān)測接收機進行靜態(tài)測試實驗，實驗地點位于北京某辦公樓。天線架設在該辦公樓樓頂，周邊環(huán)境無遮擋，坐標事先經(jīng)過PPP計算得到，實驗設備如圖3所示。自研的BDSBAS監(jiān)測接收機能夠完成BDSBAS信號的實時接收處理及增強定位解算，且同時支持任意兩種模式的定位解算，故分兩次分別進行單頻和雙頻定位各兩種方案的實驗，保存定位結(jié)果，采樣頻率為1 Hz。

圖3 自研BDSBAS監(jiān)測接收機及天線架設圖

3.1 單頻增強定位實驗及分析

本文通過BDSBAS監(jiān)測接收機實時接收處理BDSBAS-B1C信號，發(fā)現(xiàn)目前BDSBAS-B1C頻點僅播發(fā)了針對GPS L1C/A的增強信息，對此本文采用兩種實驗方案進行實時定位解算。方案一采用GPS廣播星歷進行單點定位解算，方案二采用BDSBAS-B1C信號播發(fā)的增強信息修正GPS衛(wèi)星軌道、鐘差和電離層延遲誤差進行單點定位解算，兩種方案均采用標準對流層模型。

在BDT的819 W 348 500S～349 500S測試時間段內(nèi)，兩種方案的水平誤差delP和高程誤差delH隨時間變化如圖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)果對比圖

在測試時間段內(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單頻增強服務性能在北京地區(qū)穩(wěn)定且良好。將本文結(jié)果與文獻[15]實驗結(jié)果進行比較，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[15]的定位結(jié)果差別較大，但增強定位相對于標準定位的提升幅度較一致，說明BDSBAS單頻增強服務較為穩(wěn)定。上述結(jié)果表明，BDSBAS-B1C提供的單頻增強服務能有效提高GPS的單點定位精度，滿足民航用戶一類垂直引導進近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 雙頻增強定位實驗及分析

目前BDSBAS-B2a頻點播發(fā)GPS L1C/A-L5和BDS B1C-B2a的增強信息服務測試信號，本文采用兩種方案通過BDSBAS監(jiān)測接收機對BDSBAS-B2a信號進行實時接收處理，并完成實時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行單點定位解算，方案二采用BDSBAS-B2a信號播發(fā)的增強信息修正BDS衛(wèi)星軌道、鐘差后進行雙頻無電離層組合單點定位解算，兩種方案均采用標準對流層模型。

在BDT的808 W 434 500 s～435 500 s 測試時間段內(nèi)兩種方案的水平誤差delP和高程誤差delH隨時間變化，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。在測試時間段內(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提供的雙頻增強服務能一定程度上提高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)果對比圖

表3 雙頻定位兩種方案定位結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于BDSBAS監(jiān)測接收機設計實現(xiàn)了BDSBAS增強信號的實時接收解算，并完成了GPS單頻和BDS雙頻增強定位的實時解算。結(jié)果表明：

① BDSBAS-B1C增強信號能有效提高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進近APV-I精度要求；

② BDSBAS-B2a增強信號能一定程度提高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%，提升后實時定位精度在分米級，達到水平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近CAT-I精度要求。

③標準服務的雙頻無電離層組合定位精度已經(jīng)接近或達到分米級，所以雙頻增強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.北斗星基增強系統(tǒng)增強定位方法和效果研究[J]. 遙測遙控, 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，主要研究方向為GNSS信號監(jiān)測和星基增強技術(shù)。

張如偉 1980年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為GNSS總體設計及高精度算法研究。

張彥超 1989年生，碩士，工程師，主要研究方向為GNSS高精度定位。

胡彩亮 1982年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為GNSS總體設計及抗干擾設計。

(本文編輯：潘三英)