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。
1.1 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)
2.1 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。
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。
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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)。