符京楊，王 力，湯廷松，趙 娜，周 鋒

北斗地基導航信號網(wǎng)絡測試方法研究

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 導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001；2.北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094）

為嘗試解決北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在特定區(qū)域因信號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)星為基礎構(gòu)成的北斗地基導航信號網(wǎng)絡。介紹了北斗地基導航信號網(wǎng)絡的系統(tǒng)組成和關鍵技術(shù)，提出了一套測試評估其定位和授時效能的方法，并給出了測試評估的指標建議作為參考，為地基偽衛(wèi)星增強北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用及推廣提供了相應的評價工具。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；信號網(wǎng)絡；偽衛(wèi)星；測試評估

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)星信號精度、鐘差、地面基站相對較少等原因，其服務區(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]來克服這個問題，但該方法無法在未來可能存在的涉及國家安全的領域（如軍事、銀行、電網(wǎng)等）中應用。

引入偽衛(wèi)星[6]技術(shù)，結(jié)合BDS的獨特性，以偽衛(wèi)星為基礎建立北斗地基導航信號網(wǎng)絡，可以對解決上述問題進行有效嘗試。但北斗地基導航信號網(wǎng)絡的應用效能如何，可否在相關區(qū)域補充增強或替代BDS，是需要用定量指標來鑒定的。因此，本文研究后擬提出一種偽衛(wèi)星增強北斗系統(tǒng)的測試評估方法，嘗試為未來開展此類研究及進一步推廣北斗系統(tǒng)的應用提供一個相應的工具。

1 北斗地基導航信號網(wǎng)絡

1.1 系統(tǒng)組成

北斗地基導航信號網(wǎng)絡是以偽衛(wèi)星技術(shù)為核心的北斗地基增強系統(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)測站、北斗地基導航增強型定位終端、偽衛(wèi)星網(wǎng)絡管理中心和時間同步系統(tǒng)組成；參與要素由北斗導航衛(wèi)星和地面運控系統(tǒng)組成。網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)覆蓋頻譜、測量、通信、網(wǎng)絡、安全性、設備6類體系，其直觀描述如圖1所示。

北斗地基導航信號網(wǎng)絡采用閉環(huán)設計思想。偽衛(wèi)星監(jiān)測站負責對其所覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有偽衛(wèi)星進行監(jiān)測，將完好性和偽衛(wèi)星間時差信息通過偽衛(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)絡管理中心，在偽衛(wèi)星網(wǎng)絡管理中心完成時間同步解算，并將完好性和時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)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。其中偽衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)網(wǎng)的物理實現(xiàn)載體是光纖，構(gòu)建方式可通過租用電信 數(shù)據(jù)通信通道專線實現(xiàn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 北斗地基導航信號網(wǎng)絡的體系架構(gòu)

圖2 北斗地基導航信號網(wǎng)絡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 關鍵技術(shù)

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

表1 北斗地基導航信號網(wǎng)絡的關鍵技術(shù)

2 測試評估方法研究

2.1 靜態(tài)測試評估方法

通常對于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的靜態(tài)測試評估主要包括定位精度和授時精度測試。因此，本文也選擇靜態(tài)定位精度和靜態(tài)授時精度來評估北斗地基導航信號網(wǎng)絡對BDS的輔助和增強效果。

2.1.1 靜態(tài)定位精度

增強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)測繪方式精確標定的已知點上構(gòu)成基準站，進行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)星的偽距觀測數(shù)據(jù)和偽衛(wèi)星導航電文信息進行終端定位解算，并與高精度已知點位置進行比較，測試增強型定位終端的靜態(tài)定位精度。測試原理如圖3所示。

圖3 靜態(tài)定位精度測試示意圖

要對采集的測試數(shù)據(jù)進行記錄分析和處理，評估靜態(tài)定位精度的計算公式為：

式中，(dX,dY,dZ)為靜態(tài)定位精度的實時值；(Xu,Yu,Zu)為接收機定位的空間三維直角坐標；(Xk,Yk,Zk)為基準站的空間三維直角坐標。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)星獨立定位模式對整個觀測時段的定位終端定位精度進行統(tǒng)計，給出定位精度及其可用度的統(tǒng)計結(jié)果。定位終端定位精度按99%置信度進行統(tǒng)計，基本方法是將待評估數(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)計方法是滿足相應精度的歷元記為可用，否則記為不可用。

參考國外針對偽衛(wèi)星增強GPS系統(tǒng)的相關研究數(shù)據(jù)[8-9]和BDS內(nèi)部測試數(shù)據(jù)，建議偽衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星協(xié)同定位模式下的評估標準為水平精度優(yōu)于1 m、高程精度優(yōu)于1 m；根據(jù)國外進行的GPS系統(tǒng)類似實驗[10]結(jié)果，建議偽衛(wèi)星獨立定位模式下的評估標準為水平精度優(yōu)于3 m。

2.1.2 靜態(tài)授時精度

在基準站放置1臺增強型定位終端，進行連續(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)星信號并進行定時解算；將終端的1 pps、運管系統(tǒng)輸出的1 pps兩路信號接入時間間隔計數(shù)器，測量二者間時差，計算北斗地基導航增強系統(tǒng)地面用戶授時精度。

對整個觀測時段兩路1 pps信號的時差值進行處理，給出北斗地基導航增強系統(tǒng)授時精度及其可用度的統(tǒng)計結(jié)果。授時精度按99%置信度進行統(tǒng)計，基本方法是將待評估數(shù)據(jù)中所有歷元的時差值從小到大排序，取99%分位點處時差值作為99%置信度精度。授時精度的可用度統(tǒng)計方法是滿足相應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)下的授時精度為參考，建議北斗地基導航信號網(wǎng)絡的授時精度測試評估標準為優(yōu)于3 ns。

2.2 動態(tài)測試評估方法

動態(tài)測試評估主要針對用戶的定位精度進行。用戶的動態(tài)定位精度測試依托地面移動載體（主要是汽車等）完成（圖4），實驗方法和具體步驟為：

1）選擇一個已知精確坐標的偽衛(wèi)星站點安置一 臺差分型GPS接收機作為基準站，在汽車上固定安裝一 臺與基準站配套的差分GPS接收機和一臺支持北斗和偽衛(wèi)星的增強型定位終端。

2）根據(jù)選定的路線，連續(xù)進行測試；動態(tài)測試的采樣頻度為1次/s，基準站、移動載體分別記錄GPS載波相位、偽距等原始觀測數(shù)據(jù)，移動載體記錄增強型定位終端按照設定時間間隔得到的定位時刻、終端位置、衛(wèi)星信號狀況和GDOP等信息。時間歸算和坐標歸算后，將增強型定位終端定位結(jié)果與GPS接收機單點定位結(jié)果進行實時初步比對測試；利用基準站及移動載體GPS測量數(shù)據(jù)進行高精度計算（PPP和相對定位解算），并將定位結(jié)果與經(jīng)時間歸算后的增強型定位終端定位結(jié)果進行精確比對測試。

3）以每條路線為單位，統(tǒng)計定位精度等，形成測試結(jié)果報表。

圖4 動態(tài)定位精度測試示意圖

在數(shù)據(jù)的記錄與處理方面，動態(tài)測試定位結(jié)果比對的數(shù)據(jù)為高精度GPS精密定位結(jié)果和增強型定位終端定位結(jié)果，以證明該方法的相對可用性。

式中，dP為平面位置差，下標分別表示差分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)計和高程定位精度統(tǒng)計的計算公式分別為：

式中，N為參加統(tǒng)計的觀測次數(shù)。允許操作人員輸入的最大限差值為σP,Hmax和σP,Vmax，在統(tǒng)計計算中排除超過最大限差值的數(shù)據(jù)，累計出現(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)預估定位精度的5倍。另外，當出現(xiàn)GPS受干擾不能進行正常工作、GPS不能進行正常差分工作或GPS差分結(jié)果按PDOP估計精度不滿足所設計的差分GPS精度指標等情況時，不記入定位精度統(tǒng)計。

以通過相關理論[11]計算后的計算值為參考，建議將動態(tài)定位性能指標設計為：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

本文所述的測試評估方法可以有效地對北斗地基導航信號網(wǎng)絡輔助增強北斗系統(tǒng)的能力進行評估，通過該方法測試得出的結(jié)果可以在對系統(tǒng)測試改造升級過程中起到標尺作用。在未來的研究中，對多路徑誤差的進一步處理和偽衛(wèi)星的天線相位中心標定會成為提升該方法精度的新增長點。當基于北斗地基導航信號網(wǎng)絡的用戶定位結(jié)果及系統(tǒng)可靠性接近BDS的獨立定位水平時，將會為BDS無法正常服務時提供一種可靠的應急的手段。

[1] WANG J P, GAO J X,LIU C,et al. High Precision Slope Deformation Monitoring Model Based on the GPS/Pseudolites Technology in Open-pit Mine[J]. International Journal of Mining Science and Technology,2010,20(1)：126-131

[2] 王勝利,王慶,楊徉,等.北斗IGSO/GEO/MEO衛(wèi)星聯(lián)合

高精度定位方法[J].中國慣性技術(shù)學報,2013(6)：792-796

[3] 臧楠.BDS/GNSS精密單點定位算法研究[D].西安：長安大學,2015

[4] 李墩泰.GPS/BD-2組合定位技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2013

[5] 徐君毅, 楊元喜, 李金龍,等.COMPASS與其他GNSS組合導航完好性分析[J].中國科學：地球科學,2013(10)：1 632-1 642 [6] 劉超,高井祥,于子晏,等.GPS/偽衛(wèi)星相對定位中偽衛(wèi)星優(yōu)化布設模型研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2012(1)：120-126 [7] CHEN X,ZHANG J ,LU J L, et al. Feed-forward Digital Phase Compensation for Long-distance Precise Frequency Dissemination Via Fiber Network[J]. Optics Letters,2015,40(3)：371-374

[8] WANG J,Tsujii T,Rizos C, et al. GPS and Pseudo-satellites Integration for Precise Positioning[J].Geomatics Research Australasia,2001,74：103-117

[9] Choudhury M,Rizos C.Slow Structural Deformation Monitoring Using Locata：a Trial at Tumut Pond Dam[J]. Journal of Applied Geodesy,2010(4)：177

[10] JANG J, Ahn W G, Seo S, et al. Flight Test Result for the Ground-based Radio Navigation System Sensor with an Unmanned Air Vehicle[J]. Sensors,2015,15(11)：28 472-28 489

[11] 周巍.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)精密定位理論方法研究與實現(xiàn)[D].鄭州：信息工程大學,2013

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，研究方向為衛(wèi)星導航地基增強技術(shù)。

2016-11-03。

項目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（2013AA122403）；國家自然科學基金資助項目（41274014、41501491）。