符京楊，王 力，湯廷松，趙 娜，周 鋒

北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方法研究

符京楊1,2，王 力1，湯廷松2，趙 娜2，周 鋒2

（1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

為嘗試解決北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在特定區(qū)域因信號(hào)受遮擋而無法定位或定位精度較差的問題，引入了以偽衛(wèi)星為基礎(chǔ)構(gòu)成的北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。介紹了北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)，提出了一套測(cè)試評(píng)估其定位和授時(shí)效能的方法，并給出了測(cè)試評(píng)估的指標(biāo)建議作為參考，為地基偽衛(wèi)星增強(qiáng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用及推廣提供了相應(yīng)的評(píng)價(jià)工具。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；信號(hào)網(wǎng)絡(luò)；偽衛(wèi)星；測(cè)試評(píng)估

目前在山坳、礦井和高樓林立等區(qū)域，世界上的GNSS系統(tǒng)（GPS、GLONASS、GALILEO等）都面臨著由于衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋而影響定位精度甚至無法完成定位的問題[1]。我國自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）也不例外。除此之外，由于BDS目前特有的GEO+IGSO+MEO混合星座構(gòu)型[2]以及衛(wèi)星信號(hào)精度、鐘差、地面基站相對(duì)較少等原因，其服務(wù)區(qū)內(nèi)有許多區(qū)域的定位精度較差甚至無法定位。目前學(xué)術(shù)界和工程界主要采用多GNSS系統(tǒng)組合[3-5]來克服這個(gè)問題，但該方法無法在未來可能存在的涉及國家安全的領(lǐng)域（如軍事、銀行、電網(wǎng)等）中應(yīng)用。

引入偽衛(wèi)星[6]技術(shù)，結(jié)合BDS的獨(dú)特性，以偽衛(wèi)星為基礎(chǔ)建立北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)解決上述問題進(jìn)行有效嘗試。但北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用效能如何，可否在相關(guān)區(qū)域補(bǔ)充增強(qiáng)或替代BDS，是需要用定量指標(biāo)來鑒定的。因此，本文研究后擬提出一種偽衛(wèi)星增強(qiáng)北斗系統(tǒng)的測(cè)試評(píng)估方法，嘗試為未來開展此類研究及進(jìn)一步推廣北斗系統(tǒng)的應(yīng)用提供一個(gè)相應(yīng)的工具。

1 北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)

1.1 系統(tǒng)組成

北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)是以偽衛(wèi)星技術(shù)為核心的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)包括構(gòu)成要素和參與要素。構(gòu)成要素由偽衛(wèi)星、偽衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站、北斗地基導(dǎo)航增強(qiáng)型定位終端、偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理中心和時(shí)間同步系統(tǒng)組成；參與要素由北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和地面運(yùn)控系統(tǒng)組成。網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)覆蓋頻譜、測(cè)量、通信、網(wǎng)絡(luò)、安全性、設(shè)備6類體系，其直觀描述如圖1所示。

北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)采用閉環(huán)設(shè)計(jì)思想。偽衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站負(fù)責(zé)對(duì)其所覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有偽衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將完好性和偽衛(wèi)星間時(shí)差信息通過偽衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)網(wǎng)（光纖數(shù)據(jù)通道）傳遞給偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理中心，在偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理中心完成時(shí)間同步解算，并將完好性和時(shí)間同步信息通過偽衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)網(wǎng)反饋給各偽衛(wèi)星，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。其中偽衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)網(wǎng)的物理實(shí)現(xiàn)載體是光纖，構(gòu)建方式可通過租用電信 數(shù)據(jù)通信通道專線實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)

圖2 北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

用地基偽衛(wèi)星建立北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，相比導(dǎo)航衛(wèi)星而言，已具備了三大優(yōu)勢(shì)：①地基偽衛(wèi)星安裝位置固定，其星歷比移動(dòng)的導(dǎo)航衛(wèi)星更易處理；②地基偽衛(wèi)星間距離比導(dǎo)航衛(wèi)星近，可通過有線方式實(shí)現(xiàn)更高精度的星間時(shí)間同步；③偽衛(wèi)星在地球表面，信號(hào)傳播過程中不經(jīng)過電離層，誤差比導(dǎo)航衛(wèi)星小。但是，要保證其自身優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮，必須解決3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題，具體內(nèi)容如表1所示，其中時(shí)間同步技術(shù)的內(nèi)容和指標(biāo)來源于參考文獻(xiàn)[7]。

表1 北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

2 測(cè)試評(píng)估方法研究

2.1 靜態(tài)測(cè)試評(píng)估方法

通常對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試評(píng)估主要包括定位精度和授時(shí)精度測(cè)試。因此，本文也選擇靜態(tài)定位精度和靜態(tài)授時(shí)精度來評(píng)估北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)對(duì)BDS的輔助和增強(qiáng)效果。

2.1.1 靜態(tài)定位精度

增強(qiáng)型定位終端可以在北斗衛(wèi)星/偽衛(wèi)星協(xié)同工作和偽衛(wèi)星獨(dú)立工作兩種模式下工作。將終端天線置于已經(jīng)過傳統(tǒng)測(cè)繪方式精確標(biāo)定的已知點(diǎn)上構(gòu)成基準(zhǔn)站，進(jìn)行48 h連續(xù)數(shù)據(jù)采集，采集頻度為1次/30 s。利用接收的各顆偽衛(wèi)星的偽距觀測(cè)數(shù)據(jù)和偽衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息進(jìn)行終端定位解算，并與高精度已知點(diǎn)位置進(jìn)行比較，測(cè)試增強(qiáng)型定位終端的靜態(tài)定位精度。測(cè)試原理如圖3所示。

圖3 靜態(tài)定位精度測(cè)試示意圖

要對(duì)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析和處理，評(píng)估靜態(tài)定位精度的計(jì)算公式為：

式中，(dX,dY,dZ)為靜態(tài)定位精度的實(shí)時(shí)值；(Xu,Yu,Zu)為接收機(jī)定位的空間三維直角坐標(biāo)；(Xk,Yk,Zk)為基準(zhǔn)站的空間三維直角坐標(biāo)。式中，dE、 dN、dU、dH分別為東方向誤差、北方向誤差、天頂方向誤差以及水平位置誤差。

分別按北斗衛(wèi)星/偽衛(wèi)星協(xié)同定位模式和偽衛(wèi)星獨(dú)立定位模式對(duì)整個(gè)觀測(cè)時(shí)段的定位終端定位精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，給出定位精度及其可用度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。定位終端定位精度按99%置信度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，基本方法是將待評(píng)估數(shù)據(jù)中所有歷元的定位誤差從小到大排序，取99%分位點(diǎn)處定位結(jié)果的誤差值作為99%置信度精度。定位終端定位精度可用度統(tǒng)計(jì)方法是滿足相應(yīng)精度的歷元記為可用，否則記為不可用。

參考國外針對(duì)偽衛(wèi)星增強(qiáng)GPS系統(tǒng)的相關(guān)研究數(shù)據(jù)[8-9]和BDS內(nèi)部測(cè)試數(shù)據(jù)，建議偽衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星協(xié)同定位模式下的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為水平精度優(yōu)于1 m、高程精度優(yōu)于1 m；根據(jù)國外進(jìn)行的GPS系統(tǒng)類似實(shí)驗(yàn)[10]結(jié)果，建議偽衛(wèi)星獨(dú)立定位模式下的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為水平精度優(yōu)于3 m。

2.1.2 靜態(tài)授時(shí)精度

在基準(zhǔn)站放置1臺(tái)增強(qiáng)型定位終端，進(jìn)行連續(xù)1 h數(shù)據(jù)采集，采集頻度為1次/s。終端接收北斗衛(wèi)星和偽衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行定時(shí)解算；將終端的1 pps、運(yùn)管系統(tǒng)輸出的1 pps兩路信號(hào)接入時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器，測(cè)量二者間時(shí)差，計(jì)算北斗地基導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)地面用戶授時(shí)精度。

對(duì)整個(gè)觀測(cè)時(shí)段兩路1 pps信號(hào)的時(shí)差值進(jìn)行處理，給出北斗地基導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)授時(shí)精度及其可用度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。授時(shí)精度按99%置信度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，基本方法是將待評(píng)估數(shù)據(jù)中所有歷元的時(shí)差值從小到大排序，取99%分位點(diǎn)處時(shí)差值作為99%置信度精度。授時(shí)精度的可用度統(tǒng)計(jì)方法是滿足相應(yīng)精度的歷元記為可用，否則記為不可用。以BDS正常工作狀態(tài)下的授時(shí)精度為參考，建議北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)精度測(cè)試評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為優(yōu)于3 ns。

2.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試評(píng)估方法

動(dòng)態(tài)測(cè)試評(píng)估主要針對(duì)用戶的定位精度進(jìn)行。用戶的動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試依托地面移動(dòng)載體（主要是汽車等）完成（圖4），實(shí)驗(yàn)方法和具體步驟為：

1）選擇一個(gè)已知精確坐標(biāo)的偽衛(wèi)星站點(diǎn)安置一 臺(tái)差分型GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，在汽車上固定安裝一 臺(tái)與基準(zhǔn)站配套的差分GPS接收機(jī)和一臺(tái)支持北斗和偽衛(wèi)星的增強(qiáng)型定位終端。

2）根據(jù)選定的路線，連續(xù)進(jìn)行測(cè)試；動(dòng)態(tài)測(cè)試的采樣頻度為1次/s，基準(zhǔn)站、移動(dòng)載體分別記錄GPS載波相位、偽距等原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，移動(dòng)載體記錄增強(qiáng)型定位終端按照設(shè)定時(shí)間間隔得到的定位時(shí)刻、終端位置、衛(wèi)星信號(hào)狀況和GDOP等信息。時(shí)間歸算和坐標(biāo)歸算后，將增強(qiáng)型定位終端定位結(jié)果與GPS接收機(jī)單點(diǎn)定位結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)初步比對(duì)測(cè)試；利用基準(zhǔn)站及移動(dòng)載體GPS測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度計(jì)算（PPP和相對(duì)定位解算），并將定位結(jié)果與經(jīng)時(shí)間歸算后的增強(qiáng)型定位終端定位結(jié)果進(jìn)行精確比對(duì)測(cè)試。

3）以每條路線為單位，統(tǒng)計(jì)定位精度等，形成測(cè)試結(jié)果報(bào)表。

圖4 動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試示意圖

在數(shù)據(jù)的記錄與處理方面，動(dòng)態(tài)測(cè)試定位結(jié)果比對(duì)的數(shù)據(jù)為高精度GPS精密定位結(jié)果和增強(qiáng)型定位終端定位結(jié)果，以證明該方法的相對(duì)可用性。

式中，dP為平面位置差，下標(biāo)分別表示差分GPS定位結(jié)果和北斗/偽衛(wèi)星協(xié)同定位結(jié)果，單位為m。平面定位精度統(tǒng)計(jì)和高程定位精度統(tǒng)計(jì)的計(jì)算公式分別為：

式中，N為參加統(tǒng)計(jì)的觀測(cè)次數(shù)。允許操作人員輸入的最大限差值為σP,Hmax和σP,Vmax，在統(tǒng)計(jì)計(jì)算中排除超過最大限差值的數(shù)據(jù)，累計(jì)出現(xiàn)次數(shù)，并記錄該數(shù)據(jù)。所輸入的限差值不得小于系統(tǒng)預(yù)估定位精度的5倍。另外，當(dāng)出現(xiàn)GPS受干擾不能進(jìn)行正常工作、GPS不能進(jìn)行正常差分工作或GPS差分結(jié)果按PDOP估計(jì)精度不滿足所設(shè)計(jì)的差分GPS精度指標(biāo)等情況時(shí)，不記入定位精度統(tǒng)計(jì)。

以通過相關(guān)理論[11]計(jì)算后的計(jì)算值為參考，建議將動(dòng)態(tài)定位性能指標(biāo)設(shè)計(jì)為：偽衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星協(xié)同定位模式下，水平精度優(yōu)于2 m、高程精度優(yōu)于2 m。

3 結(jié) 語

本文所述的測(cè)試評(píng)估方法可以有效地對(duì)北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)輔助增強(qiáng)北斗系統(tǒng)的能力進(jìn)行評(píng)估，通過該方法測(cè)試得出的結(jié)果可以在對(duì)系統(tǒng)測(cè)試改造升級(jí)過程中起到標(biāo)尺作用。在未來的研究中，對(duì)多路徑誤差的進(jìn)一步處理和偽衛(wèi)星的天線相位中心標(biāo)定會(huì)成為提升該方法精度的新增長點(diǎn)。當(dāng)基于北斗地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的用戶定位結(jié)果及系統(tǒng)可靠性接近BDS的獨(dú)立定位水平時(shí)，將會(huì)為BDS無法正常服務(wù)時(shí)提供一種可靠的應(yīng)急的手段。

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P228.4

B

1672-4623（2017）05-0016-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0050.5

符京楊，博士研究生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)技術(shù)。

2016-11-03。

項(xiàng)目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013AA122403）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41274014、41501491）。