陳 雷, 裴 凌, 高為廣, 蔡洪亮, 戴永珊, 陳 穎, 胡旖旎
(1. 北京跟蹤與通信技術研究所,北京 100094;2. 智慧地球重點實驗室,北京 100094;3. 上海交通大學上海市導航與位置服務重點實驗室,上海 200240;4. 上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 201304)
隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用范圍越來越廣,導航用戶對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完好性要求也越來越高,需要系統(tǒng)提供當前服務的精度等級,且在導航系統(tǒng)發(fā)生異常時,能夠快速向用戶提供告警信息,以保證導航用戶的使用安全[1]。衛(wèi)星導航服務在生命安全領域應用時對性能提出了精度、完好性、連續(xù)性和可用性4個衡量指標。其中,完好性是誤差超限時的及時告警能力,根據(jù)霍普金斯大學的分析報告《GPS RISK》,將完好性故障風險主要分類為:衛(wèi)星段故障、傳播異常及非敵意干擾等。根據(jù)不同完好性故障風險發(fā)生概率和故障特征,提出了空基增強、陸基增強和星基增強技術,成功地將全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)應用到民航、鐵路、自動駕駛等領域[2-4]。
目前,北斗三號系統(tǒng)定位精度逐漸接近1 m級,已能滿足大部分用戶對精度的需求[5-6]。與之相比,決定用戶安全性能的完好性問題變得日益突出。從用戶安全的角度考慮,尤其是對于生命安全服務,衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完好性具有極其重要的地位。對于不同用戶類型,系統(tǒng)應給出更加詳細具體的告警門限和完好性風險需求,要求在盡量節(jié)省系統(tǒng)資源的前提下提供更短時間和更小風險的完好性服務,同時也兼顧完好性風險概率與可用性、連續(xù)性之間的協(xié)調一致性[7-9]。
完好性監(jiān)測技術從實現(xiàn)載體的角度,通??梢苑譃槿?接收機自主完好性監(jiān)測(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)技術、衛(wèi)星自主完好性監(jiān)測(satellite autonomous integrity monitoring,SAIM)技術和系統(tǒng)地面完好性通道(ground integrity channel,GIC),一般以告警限值、告警時間和完好性風險概率共3項具體指標表征。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由地球靜止軌道(geostationary orbit, GEO)衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)衛(wèi)星、中圓軌道(medium Earth orbit,MEO)衛(wèi)星混合星座組成[10],區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)[11]對移動衛(wèi)星尤其是MEO衛(wèi)星可監(jiān)測弧段非常短,若僅依靠地面GIC進行監(jiān)測,難以滿足全球范圍對快變誤差的監(jiān)測告警需求。為彌補地面區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)覆蓋不足,提升系統(tǒng)完好性服務能力,北斗三號系統(tǒng)在全球范圍內,首次工程化實現(xiàn)了SAIM功能,通過SAIM與GIC聯(lián)合,提升了系統(tǒng)基本完好性服務能力,SAIM技術的優(yōu)勢是告警時間最短,難點在于對星上、星間鏈路資源要求高[12-14],監(jiān)測算法由于不是第三方監(jiān)測,相較于地面完好性監(jiān)測更為復雜,是完好性監(jiān)測技術發(fā)展的前沿趨勢,GPS III和Galileo等國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)均競相發(fā)展。
本文介紹了北斗三號系統(tǒng)SAIM技術的功能設計、實現(xiàn)原理及后續(xù)發(fā)展建議,可為我國更好地提升和發(fā)展完好性監(jiān)測能力提供參考。
SAIM技術[15],是指在衛(wèi)星上自主完成完好性監(jiān)測,導航衛(wèi)星自身對所播發(fā)的導航信號通過多路直接反饋處理,進行調制信號、導航電文數(shù)據(jù)和衛(wèi)星鐘等狀態(tài)的監(jiān)測處理,形成相應的完好性信息隨導航電文播發(fā)給用戶。作為一種全新的完好性監(jiān)測手段,由于不受傳播路徑誤差影響,完好性監(jiān)測處理方法簡單,告警實時性高,是GNSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)完好性技術升級的重要內容之一[16]。SAIM技術的主要難點在于星載監(jiān)測設備的設計與實現(xiàn),GPS將在GPS III系統(tǒng)中實現(xiàn)SAIM[17-18],而北斗三號系統(tǒng)則是首次實現(xiàn)SAIM技術的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
由于北斗衛(wèi)星導航區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)對衛(wèi)星的覆蓋局限,對傳統(tǒng)的地面完好性監(jiān)測提出了挑戰(zhàn)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由GEO/IGSO/MEO混合星座組成,圖1給出了北斗地面控制系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)對衛(wèi)星的覆蓋深度,其中白色為衛(wèi)星星下點軌跡,從圖中可以看出,地面監(jiān)測網(wǎng)對移動衛(wèi)星尤其是MEO衛(wèi)星可監(jiān)測弧段非常短,僅依靠地基完好性監(jiān)測,難以保證全球范圍對快變誤差的監(jiān)測告警需求。
(a) MEO衛(wèi)星
北斗三號系統(tǒng)SAIM事件及告警手段如圖2所示,主要對導航信號異常和衛(wèi)星鐘異常進行在軌監(jiān)測,其中導航信號異常主要包括功率跳變、偽距跳變、相關峰畸變及碼載波偏離等,但實際在軌相關峰畸變和碼載波偏離異常暫未參與實際告警;衛(wèi)星鐘異常包括衛(wèi)星鐘頻率異常和衛(wèi)星鐘相位異常,均參與實際告警。告警手段主要包括導航信號切非標準碼和對衛(wèi)星健康狀態(tài)置不可用兩種手段。
圖2 北斗三號SAIM事件及告警手段示意圖
北斗三號SAIM載荷設計主要包括兩個部分:一是星上時頻穩(wěn)定性監(jiān)測,即監(jiān)測星上時鐘的突變;二是星上信號質量監(jiān)測,包括偽距相位監(jiān)測、信號功率監(jiān)測、信號畸變監(jiān)測和碼相位一致性監(jiān)測。北斗SAIM設計流程如圖3所示。
圖3 SAIM實現(xiàn)原理
星上時頻穩(wěn)定性監(jiān)測,利用星載原子鐘產(chǎn)生參考歷元,同時輸出頻率通過歷元發(fā)生器產(chǎn)生一個歷元。利用晶振頻率填充參考歷元和輸出頻率產(chǎn)生的歷元,再通過相位量尺比較相位誤差,相位誤差經(jīng)過環(huán)路濾波器后進行星載原子鐘的完好性監(jiān)測。這樣的設計充分利用原子鐘長期穩(wěn)定度好、晶振短期穩(wěn)定度好的優(yōu)點,并利用環(huán)路濾波器減小相位量尺噪聲的影響,保障了衛(wèi)星自主完好性可以準確監(jiān)測到時鐘跳變。
星上利用獨立信號監(jiān)測接收機接收衛(wèi)星所發(fā)射的各個導航信號和數(shù)據(jù),獲取信號的相關峰數(shù)據(jù)和原始測量數(shù)據(jù)等信息,接收機內部通過對相關峰數(shù)據(jù)分析信號質量,監(jiān)測可能的信號畸變異?,F(xiàn)象,然后利用接收機載波和偽碼測量數(shù)據(jù)檢查載波與碼相位一致性、利用信噪比檢查信號功率異常,完成星上信號質量監(jiān)測。自主完好性監(jiān)測北斗三號衛(wèi)星的3個新體制信號B1C、B2a和B3A,3種信號的調制和服務方式列于表1。
表1 北斗三號衛(wèi)星下行信號調制與服務方式
北斗SAIM采取兩種方式標識信號狀態(tài),當監(jiān)測到異常時,一種方式通過電文進行告警,將電文參數(shù)SIF置為“1”;一種方式是將偽碼由標準碼調制為非標準碼。但是衛(wèi)星自主完好性不能獨立完成告警退出,需要地面完好性監(jiān)測確認信號恢復正常后,由地面發(fā)射信號狀態(tài)恢復指令,才能退出衛(wèi)星自主完好性告警狀態(tài)。
通過上述設計,當衛(wèi)星出現(xiàn)信號畸變、功率低于最小發(fā)射功率或衛(wèi)星鐘跳變大于3 ns時,衛(wèi)星自主完好性可以給出秒級告警。SAIM單機通過主備全開的“雙工”模式,能夠有效降低監(jiān)測虛警,主份和備份獨立監(jiān)測衛(wèi)星鐘、導航信號及導航電文異常狀態(tài),僅在主備份均出現(xiàn)異常時才發(fā)出告警標識。
北斗三號系統(tǒng)首次在實際在軌衛(wèi)星上工程化實現(xiàn)了SAIM技術[19-20]。雖然前期在系統(tǒng)的服務性能監(jiān)測評估中,對SAIM數(shù)據(jù)的正確性進行過驗證,但對于其監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布特性尚無系統(tǒng)性分析。理論上,SAIM數(shù)據(jù)在衛(wèi)星正常運行服務期間,應圍繞某一均值,附加高斯白噪聲,即理論服從正態(tài)分布。但考慮到實際在軌衛(wèi)星所處空間環(huán)境較為復雜,且監(jiān)測數(shù)據(jù)受單機工作狀態(tài)、溫度及不同研制單位產(chǎn)品特性等多種不確定因素影響[21],其實際在軌的正態(tài)分布特性服從程度和長期穩(wěn)定性等問題需利用長期在軌實際連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù),開展系統(tǒng)性、全星座的深入研究。
本文隨機選取某一顆MEO衛(wèi)星自2020年7月31日北斗三號系統(tǒng)正式開通服務以來至2021年7月31日連續(xù)1年期間的監(jiān)測數(shù)據(jù),得到工程化應用的SAIM數(shù)據(jù)分布特性,以驗證其監(jiān)測數(shù)據(jù)實際在軌分布特性。
2.1.1 監(jiān)測方法
在下行導航天線前端,通過耦合得到小功率信號作為完好性監(jiān)測接收機的輸入端。輸入信號經(jīng)過數(shù)字采樣量化后,經(jīng)過混頻、濾波、抽取及量化后輸出。
根據(jù)信號處理模塊采集到的功率監(jiān)測信息,從衛(wèi)星信號的功率方面監(jiān)測和評估導航信號質量。正常情況下,星上監(jiān)測的信號功率圍繞均值在一定范圍內波動,一旦導航信號功率下降超過告警閾值,SAIM給出告警信息。在衛(wèi)星發(fā)射之前,SAIM的告警閾值采用經(jīng)驗初始值。在信號正常情況下,星上信號功率監(jiān)測數(shù)據(jù)應該具有較高的穩(wěn)定性,通過對實際數(shù)據(jù)標準偏差和分布特性進行分析,設計合理的星上告警閾值,對星上告警門限進行重構。
2.1.2 在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計
圖4給出了北斗三號PRN C19衛(wèi)星全年的功率監(jiān)測時間序列。其中,圖4(a)為B1C信號功率監(jiān)測值,圖4(b)為監(jiān)測值的Q-Q圖,圖中紅色線為正態(tài)分布參考線,藍色線為功率監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布曲線。藍色線越接近紅色線,表明監(jiān)測數(shù)據(jù)越接近正態(tài)分布,橫坐標單位為d。
(a) 原始監(jiān)測數(shù)據(jù)
2.2.1 監(jiān)測方法
星上載荷故障或指令異??赡芤鹩脩粲^測的偽距異常跳變。利用星上接收機對偽距觀測值進行監(jiān)測,由于星上接收機和衛(wèi)星鐘采用了不同的頻率源,星上偽距測量存在線性漂移,通過在信號時延測量過程中進行鐘差補償,使星上監(jiān)測接收機的偽距圍繞均值在一定范圍內波動。
星上偽距計算方式是通過測量本地時間和信號時間來計算偽距的,由于下行信號延遲較小且延遲相對固定,因此信號時間只需要計算碼片計數(shù)和碼相位,無需解整周模糊[22-23]。
Pr=tsignal-tlocal
(1)
tsignal=Cntchip/Rchip+ Phasecode*216/Rchip
(2)
tlocal=Cnt20 ms×0.02+Cnt10.23/10.23×106+
Clkphase*216/10.23×106
(3)
式中,Cntchip是碼片計數(shù);Rchip是碼速率;Phasecode是碼相位;216是由于碼數(shù)字振蕩器(numerically controlled oscillator, NCO)采用16位實現(xiàn);Cnt20 ms是20 ms計數(shù);Cnt10.23是10.23 M計數(shù);Clkphase是10.23 M碼相位。如果某路導航信號的偽距發(fā)現(xiàn)異常跳變,且超過告警閾值,則給出該路信號的告警信息。
2.2.2 在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計
圖5給出了北斗三號PRN C19衛(wèi)星全年時間的偽距監(jiān)測時間序列。其中,圖5(a)為B1C偽距測量監(jiān)測值,圖5(b)為監(jiān)測值的Q-Q圖,圖中紅色線為正態(tài)分布參考線,藍色線為偽距測量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布曲線。藍色線越接近紅色線,表明監(jiān)測數(shù)據(jù)越接近正態(tài)分布,橫坐標單位為d。
(a) 原始監(jiān)測數(shù)據(jù)
2.3.1 監(jiān)測方法
星鐘頻率的輸出信號可以表示為
V(t)=[V0+ε(t)]sin[2πf0t+φ(t)]
(4)
式中,V0為標稱振幅;ε(t)為振幅的起伏;f0為標稱頻率或長期平均頻率;φ(t)為相位偏差;由式(4)可知,信號的瞬時相位為
φ(t)=2πf0t+φ(t)
(5)
而瞬時頻率是相位的時間導數(shù),即
(6)
于是,瞬時頻率為
(7)
瞬時相對頻率偏差為
(8)
由式(8)可知,對于星鐘,主要監(jiān)測φ(t)項。星鐘跳頻、跳相的監(jiān)測是通過鎖相環(huán)實現(xiàn)的,即一個環(huán)路相位跟蹤系統(tǒng),它通過負反饋來對本地信號的頻率和相位進行調節(jié),以實現(xiàn)對參考信號的跟蹤。若衛(wèi)星鐘相位或頻率異常跳變超過預設的告警門限,則所有信號均進行告警。通過對相鄰歷元鐘差測量值進行二次差分,消除衛(wèi)星鐘與本地參考晶振的頻差引入的相位偏移,可以對衛(wèi)星鐘相位跳變進行監(jiān)測。衛(wèi)星鐘頻率跳變可由相位跳變導出。
2.3.2 在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計
由于衛(wèi)星鐘頻率跳變可由相位跳變導出,即頻率監(jiān)測值和相位監(jiān)測值有著一致的分布特性,因此本文中在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)分布特性選取相位監(jiān)測值作為分析。
圖6給出了北斗三號PRN C19衛(wèi)星全年時間的相位監(jiān)測時間序列。其中,圖6(a)為相位監(jiān)測值,圖6(b)為監(jiān)測值的Q-Q圖,圖中紅色線為正態(tài)分布參考線,藍色線為相位監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布曲線。藍色線越接近紅色線,表明監(jiān)測數(shù)據(jù)越接近正態(tài)分布,橫坐標單位為d。
(a) 原始監(jiān)測數(shù)據(jù)
通過隨機選取某一顆衛(wèi)星對衛(wèi)星自主完好性在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)中的功率監(jiān)測、偽距測量監(jiān)測、衛(wèi)星原子鐘相位和頻率監(jiān)測結果按照時間序列繪制Q-Q圖,綜合表2所示的統(tǒng)計數(shù)據(jù),可以得到以下結論:
表2 北斗三號衛(wèi)星下行信號調制與服務方式
1)導航下行信號功率監(jiān)測和偽距測量監(jiān)測結果基本符合正態(tài)分布特性;
2)衛(wèi)星鐘頻率和相位監(jiān)測值整體上看均有較高穩(wěn)定性,偏度絕對值均小于0.5,近似正態(tài)分布;
3)SAIM數(shù)據(jù)在長時間段下呈現(xiàn)出細微分段現(xiàn)象,主要是受空間環(huán)境、衛(wèi)星工作狀態(tài)影響,導致監(jiān)測結果長期特性存在細微分段,但整體依然滿足正態(tài)分布。
由于北斗三號系統(tǒng)是首個工程化實現(xiàn)SAIM技術手段的GNSS,相關SAIM的參數(shù)處理算法和相應的用戶使用算法都沒有成熟的理論方案可供參考,因此在后續(xù)發(fā)展方面,仍有較大提升優(yōu)化空間。本文結合SAIM在軌實際運行狀態(tài),針對性提出后續(xù)研究與發(fā)展方向。
北斗三號 SAIM 告警門限與地面完好性監(jiān)測告警門限是獨立設計,SAIM告警門限設置比目前地面完好性監(jiān)測告警門限值更為嚴苛,星地告警門限值相互之間并無匹配映射關系,存在 SAIM 監(jiān)測告警、但地面完好性監(jiān)測由于未達到告警門限而不告警問題,對用戶應用造成困擾。
SAIM告警門限包括時延監(jiān)測告警門限、功率監(jiān)測告警門限、衛(wèi)星鐘相位跳變監(jiān)測告警門限和衛(wèi)星鐘頻率跳變監(jiān)測告警門限,這些告警門限均是衛(wèi)星上天之前,主要依據(jù)地面測試仿真情況設計的。目前北斗三號系統(tǒng)已正式開通服務2年多,部分衛(wèi)星在軌運行最長已4年有余,已經(jīng)積累了大量SAIM數(shù)據(jù),應根據(jù)在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)長期變化特征及分布特性、系統(tǒng)服務指標要求,結合故障診斷和用戶告警等多種完好性監(jiān)測需求,開展告警門限優(yōu)化設計,滿足實際應用要求,從而優(yōu)化系統(tǒng)服務的完好性、連續(xù)性和可用性。
現(xiàn)行的告警策略,無論是SAIM還是地面,都是只要一觸發(fā)告警門限就會告警。目前地面告警,以判斷空間信號測距誤差(signal-in-space range error, SISRE)為主,目的是確保用戶的測距精度滿足要求。而衛(wèi)星監(jiān)測的對象中,偽距、相位、頻率這3項,是可以映射到地面SISRE的,也就是說,這3個監(jiān)測對象的告警門限設計還需兼顧與地面告警一致性。
目前地面告警門限是4.42 SISA(約5 m),HS是固定門限(單頻4 m和雙頻7 m),扣除傳播段誤差后,直接反映到衛(wèi)星上的偽距、相位、頻率的門限值為3 m,而相較于告警門限值1 m差別較大,其本質原因是門限值1 m是面向衛(wèi)星運行健康狀態(tài)的監(jiān)測,而門限值3 m是面向用戶使用的監(jiān)測,因此客觀上就會存在很大差異。但現(xiàn)行的告警策略是執(zhí)行單一告警門限,監(jiān)測數(shù)據(jù)觸發(fā)后即向用戶告警,即使用面向衛(wèi)星健康狀態(tài)監(jiān)測的門限值,去向用戶發(fā)出告警,相比系統(tǒng)為用戶提供的服務精度更加嚴苛,后續(xù)可以針對衛(wèi)星健康狀態(tài)監(jiān)測和用戶服務的差異,采樣分級的監(jiān)測門限,優(yōu)化系統(tǒng)虛警性能。
SAIM的告警方式包括非標準碼告警、電文告警及通過遙測向地面站告警3種方式,應該根據(jù)具體告警門限進行多級完好性監(jiān)測告警。
目前,星歷的完好性監(jiān)測,只能依賴地面基本完好性監(jiān)測實現(xiàn),衛(wèi)星自主完好性尚不具備對星歷的自主監(jiān)測能力,將對系統(tǒng)完好性風險造成潛在影響。雖然當前空間環(huán)境下,星歷異常事件屬于小概率事件,系統(tǒng)整體的完好性風險概率也能夠滿足指標要求,但考慮到未來一段時間的空間環(huán)境變化對導航衛(wèi)星造成的單粒子效應影響問題,可以預見衛(wèi)星星歷異常發(fā)生的頻率將隨之增加,如不解決對星歷的完好性監(jiān)測問題,后續(xù)系統(tǒng)完好性風險概率有超差的風險。
北斗三號MEO衛(wèi)星軌道高度約20 000 km,在此高度上,衛(wèi)星會長期處于周期性波動的高能電子輻射空間環(huán)境中。根據(jù)導航衛(wèi)星的設計及實現(xiàn)情況,并基于長期運行監(jiān)測經(jīng)驗,發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境發(fā)生惡劣變化,會威脅并影響衛(wèi)星內部電子器件性能,可能導致相應數(shù)據(jù)bit位發(fā)生錯誤翻轉,最終產(chǎn)生錯誤信息。因此,可以認為導航電文中星歷信息發(fā)生異常的概率與導航衛(wèi)星所處的空間環(huán)境呈正相關關系,即空間環(huán)境越惡劣,則星歷信息發(fā)生異常的概率越大。北斗三號MEO衛(wèi)星的設計壽命為10年,將經(jīng)歷整個太陽活動周期,其中有5年是處在太陽活動峰值期,爆發(fā)活動相對比較頻繁,衛(wèi)星受單粒子效應的影響將更為顯著。中科院空間環(huán)境監(jiān)測中心對2006年—2022年太陽周期F10.7 cm輻射通量的空間環(huán)境情況進行統(tǒng)計及未來趨勢進行預測,結果顯示,2014年—2022年為太陽活動平緩期,2022年之后將進入空間環(huán)境活躍期,將在2026年左右到達太陽活動峰值。根據(jù)過往歷史運維經(jīng)驗,太陽活躍程度與單粒子效應發(fā)生頻率呈正相關,空間環(huán)境惡化程度明顯,意味著星歷信息發(fā)生異常的概率也將隨之增大,如果不對星歷完好性監(jiān)測這一短板進行補強,將導致在太陽活躍周期期間,北斗系統(tǒng)處于完好性風險事件高發(fā)期,制約用戶使用。因此,非常有必要基于當前系統(tǒng)實際情況,針對北斗三號衛(wèi)星星歷的連續(xù)自主監(jiān)測問題進行深入研究,對SAIM功能進行升級,使其具備對星歷的連續(xù)、自主完好性監(jiān)測功能。
針對實際在軌的正態(tài)分布特性服從程度和長期穩(wěn)定性等問題,隨機選取某一顆MEO衛(wèi)星自2020年7月31日北斗三號系統(tǒng)正式開通服務以來至2021年7月31日連續(xù)1年期間的監(jiān)測數(shù)據(jù),得到如下工程化應用的SAIM數(shù)據(jù)分布特性:
1)導航下行信號功率監(jiān)測和偽距測量監(jiān)測結果基本符合正態(tài)分布特性;
2)衛(wèi)星鐘頻率和相位監(jiān)測值整體上看均有較高穩(wěn)定性,偏度絕對值均小于0.5,近似正態(tài)分布;
3)SAIM數(shù)據(jù)在長時間段下呈現(xiàn)出細微分段現(xiàn)象,主要是受空間環(huán)境、衛(wèi)星工作狀態(tài)影響,導致監(jiān)測結果長期特性存在細微分段,但整體依然滿足正態(tài)分布。
后續(xù)發(fā)展必要性建議方向:告警門限優(yōu)化、分級告警策略設計、星歷完好性自主監(jiān)測等。