張 鍵, 邵 搏, 田 宇, 王 偉, 原 彬,李平力

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,西安 710068;2. 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710068)

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)因具有全球覆蓋、高精度、全天候的特點(diǎn),已作為主要導(dǎo)航手段進(jìn)入了快速發(fā)展和應(yīng)用階段。為提升GNSS系統(tǒng)在航空等高生命安全領(lǐng)域應(yīng)用的完好性保障能力,采用差分完好性增強(qiáng)技術(shù)體制的星基增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

當(dāng)前,國際上正式運(yùn)行的SBAS主要包括美國的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(wide area augmentation system, WA-AS)[2-3]、歐盟的歐洲地球同步導(dǎo)航重疊系統(tǒng)(Europe-an geostationary navigation overlay system, EGN-OS)[4]、日本的多功能星基增強(qiáng)系統(tǒng)(MTSAT sate-llite-based augmentation system, MSAS)[5]和印度的GPS輔助地球同步軌道增強(qiáng)系統(tǒng)(GPS aided GEO augmentation navigation, GAGAN)[6];在建/試運(yùn)行的SBAS包括俄羅斯的差分改正與監(jiān)測系統(tǒng)(system of differential correction and monitoring, SDCM)[7]、韓國的星基增強(qiáng)系統(tǒng)(Korea SBAS, KASS)[8]、非洲及印度洋星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS for Africa and Indian ocean, A-SBAS)[9]、澳大利亞/新西蘭南部定位增強(qiáng)網(wǎng)(southern positioning augmentation network, Sou-thPAN)[10]和我國的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)[11-12]。

SBAS單頻增強(qiáng)服務(wù)受電離層格網(wǎng)分布與精度影響,其服務(wù)等級與覆蓋區(qū)域受限,因此自2015年起國際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)下設(shè)的星基增強(qiáng)互操作工作組(Interoperation Work Group, IWG)啟動了雙頻多星座SBAS標(biāo)準(zhǔn)與建議措施(standards and recommended practices, SARPs)的聯(lián)合研究與制定工作,利用雙頻偽距測量值消除電離層誤差以進(jìn)一步提升精度與完好性,并擴(kuò)大SBAS服務(wù)覆蓋范圍。至今,DFMC SBAS SARPs標(biāo)準(zhǔn)已制定完畢,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為四大核心星座之一已寫入其中,標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計于2023年11月正式發(fā)布。DFMC服務(wù)的建設(shè)成為全球各個SBAS下一階段發(fā)展的主要方向之一[13]。

BDSBAS作為BDS七大服務(wù)之一,于2020年7月31日隨BDS的正式開通進(jìn)入了試運(yùn)行階段。BDSBAS通過BDS GEO衛(wèi)星的BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a頻點(diǎn)播發(fā)單頻(single frequency, SF)增強(qiáng)服務(wù)和雙頻多星座增強(qiáng)(DFMC)服務(wù)的測試信號,并逐步開展民航測試認(rèn)證工作,服務(wù)區(qū)域的確定是BDSBAS為民航用戶提供正式服務(wù)的前提,也是“北斗走出去”與“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的有效支撐[14]。當(dāng)前,全球范圍內(nèi)僅美國的WAAS和歐盟的EGNOS在其官方服務(wù)性能報告中給出了單頻增強(qiáng)服務(wù)不同服務(wù)等級的服務(wù)覆蓋區(qū)域,其他SBAS均未在公開文件中嚴(yán)格定義各自的服務(wù)區(qū)域,BDSBAS也僅說明能夠?qū)χ袊爸苓吿峁┓?wù)覆蓋[15-17]。

BDSBAS是目前全球范圍內(nèi)唯一播發(fā)DFMC增強(qiáng)測試電文的星基增強(qiáng)系統(tǒng),DFMC增強(qiáng)服務(wù)經(jīng)過多年的優(yōu)化升級,服務(wù)性能已經(jīng)趨于穩(wěn)定。本文將對SBAS DFMC可用性概念和保護(hù)級計算進(jìn)行詳述,并在此基礎(chǔ)上利用實(shí)測BDSBAS DFMC增強(qiáng)電文對當(dāng)前階段BDSBAS的DFMC增強(qiáng)服務(wù)覆蓋范圍進(jìn)行初步評估。

1 DFMC服務(wù)可用性

1.1 服務(wù)可用性定義

SBAS服務(wù)可用性定義為:在精度、完好性、連續(xù)性滿足指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)可以向用戶提供增強(qiáng)服務(wù)的時間百分比。從用戶角度來看,當(dāng)計算得到的水平保護(hù)級(horizontal protection level, HPL)和垂直保護(hù)級(vertical protection level, VPL)同時小于服務(wù)等級指標(biāo)要求的水平告警門限(horizontal alert level, VAL)和垂直告警門限(vertical alert level, HAL)時,表示“服務(wù)可用”,否則“服務(wù)不可用”。服務(wù)可用性示意圖如圖1所示[18]。

ICAO在國際民用航空公約附件10第I卷中給出了GNSS應(yīng)用于民用航空的性能要求,其中APV-I/LPV和LVP-200服務(wù)等級要求如表1所示[19]。

圖1 服務(wù)可用性示意圖Fig.1 Service availability diagram

表1 AP V-I和LPV-200服務(wù)等級要求

1.2 DFMC保護(hù)級計算

由于最新的DFMC SBAS SARPs標(biāo)準(zhǔn)未正式發(fā)布,當(dāng)前BDSBAS DFMC增強(qiáng)電文編排和相關(guān)計算依據(jù)文件為SBAS L5 DFMC interface control document(SBAS L5 DFMC ICD)[20]。對被增強(qiáng)衛(wèi)星進(jìn)行軌道/鐘差誤差修正后,使用加權(quán)最小二乘進(jìn)行導(dǎo)航定位解算。觀測方程幾何矩陣的第i行如下

Gi=[-cosEi·sinAi,-cosEi·
cosAi,-sinEi,1,ni]

(1)

其中,Ei和Ai是衛(wèi)星i的高度角和方位角(從正北方向順時針為正),如果衛(wèi)星i屬于星座C1,則ni=0;如果衛(wèi)星i屬于星座C2,則ni=1。

對于N顆導(dǎo)航衛(wèi)星,權(quán)重矩陣W如下

(2)

(3)

由幾何矩陣G和權(quán)重矩陣W計算得到投影矩陣S如下

(4)

可得

(5)

(6)

得到dmajor和dU后,水平保護(hù)級和垂直保護(hù)級計算公式如下

LHPL=KH·dmajor

(7)

LVPL=KV·dU

(8)

其中

(9)

KV=5.33

(10)

2 服務(wù)覆蓋范圍評估

2.1 數(shù)據(jù)來源及解算設(shè)置

本文BDSBAS DFMC服務(wù)覆蓋范圍評估采用的數(shù)據(jù)為2022年11月12日至11月15于西安連續(xù)四天采集的BDSBAS B2a增強(qiáng)電文。電文采集接收機(jī)設(shè)備型號為Septentrio PolaRx5,天線型號為NovAtel750。保護(hù)級計算間隔30s;空間分辨率為1°×1°;計算區(qū)域?yàn)闁|經(jīng)60°至東經(jīng)150°,北緯0°至北緯65°;衛(wèi)星截止高度角5°。每天對計算結(jié)果評估一次。

2.2 APV-I服務(wù)

圖2和圖3分別給出了BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)在APV-I等級下單系統(tǒng)(BDS)增強(qiáng)和雙系統(tǒng)(BDS+GPS)增強(qiáng)連續(xù)四天的可用性覆蓋范圍變化;表2給出了95%,98%,99%和99.9%可用性條件下區(qū)域覆蓋率。

(a) 2022年11月12日

(b) 2022年11月13日

(c) 2022年11月14日

(d) 2022年11月15日

(b) 2022年11月13日

(c) 2022年11月14日

(d) 2022年11月15日

表2 BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)APV-I覆蓋率

從圖2和表2可以看到,BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)在APV-I等級條件下可用性區(qū)域覆蓋情況基本保持穩(wěn)定。在單系統(tǒng)(BDS)增強(qiáng)條件下99%可用性的區(qū)域覆蓋范圍達(dá)到80%左右,不僅將中國全部覆蓋,并能夠?qū)χ袊苓叺臇|北亞、南亞、中亞等國家或地區(qū)實(shí)現(xiàn)全部或部分覆蓋,服務(wù)區(qū)域遠(yuǎn)大于本國國土、海洋面積需求,充分體現(xiàn)了BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)在亞洲較強(qiáng)的競爭能力。

BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)不僅實(shí)現(xiàn)了對北斗三號系統(tǒng)的B1C/B2a頻點(diǎn)的增強(qiáng),也實(shí)現(xiàn)了對GPS L1/L5頻點(diǎn)的增強(qiáng)。但由于當(dāng)前GPS系統(tǒng)中播發(fā)L1/L5頻點(diǎn)的衛(wèi)星數(shù)較少,因此本文未對單GPS增強(qiáng)情況進(jìn)行分析。從圖3和表2可以看到,即使GPS L1/L5衛(wèi)星較少,但在使用BDS+GPS雙系統(tǒng)增強(qiáng)的情況下,APV-I的可用性覆蓋率相較于單BDS系統(tǒng)增強(qiáng)情況下出現(xiàn)了明顯的提升,99%可用性覆蓋率達(dá)到約96%,99.9%可用性覆蓋率達(dá)到約63%。從圖3可以看到,在雙系統(tǒng)增強(qiáng)后,BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)在預(yù)設(shè)的評估區(qū)域的東南西北依然具有較大的服務(wù)覆蓋區(qū)域,受運(yùn)算量及文章篇幅限制,暫未對其進(jìn)行進(jìn)一步評估。

2.3 LPV-200服務(wù)

圖4和圖5分別給出了BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)在LPV-200等級下單系統(tǒng)(BDS)增強(qiáng)和雙系統(tǒng)(BDS+GPS)增強(qiáng)連續(xù)四天的可用性覆蓋范圍變化;表3給出了95%、98%、99%和99.9%可用性條件下區(qū)域覆蓋率。

從圖4、圖5和表3可以看到, BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)在LPV-200服務(wù)等級下的覆蓋率較APV-I服務(wù)等級下的覆蓋率有了明顯下降。在單系統(tǒng)(BDS)增強(qiáng)條件下99%可用性的區(qū)域覆蓋范圍達(dá)到50%左右,但依然能夠?qū)χ袊緦?shí)現(xiàn)全覆蓋。在雙系統(tǒng)(BDS+BDS)增強(qiáng)條件下,LPV-200可用性覆蓋率相較于單系統(tǒng)(BDS)同樣有了明顯提升,99%可用性覆蓋率達(dá)到約85%,99.9%可用性覆蓋率達(dá)到約35%。BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)LPV-200等級下依然實(shí)現(xiàn)了對中國及周邊大范圍地區(qū)的覆蓋。

(a) 2022年11月12日

(b) 2022年11月13日

(c) 2022年11月14日

(d) 2022年11月15日

(a) 2022年11月12日

(c) 2022年11月14日

(d) 2022年11月15日

表3 BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)LPV-200覆蓋率

3 結(jié)論

通過研究,得到如下結(jié)論:

1)BDSBAS DFMC增強(qiáng)服務(wù)APV-I等級和LPV-200等級均實(shí)現(xiàn)了對中國及周邊廣大區(qū)域的覆蓋,與當(dāng)前官方表述一致,更大區(qū)域的服務(wù)覆蓋,能夠使BDSBAS在競爭日益激烈的星基增強(qiáng)服務(wù)領(lǐng)域占據(jù)具有較大的優(yōu)勢。

2)盡管當(dāng)前能夠播發(fā)L5信號的在役GPS衛(wèi)星較少,但BDS+GPS的雙系統(tǒng)增強(qiáng)服務(wù)依然較BDS的單系統(tǒng)增強(qiáng)服務(wù),在服務(wù)范圍上提升明顯,在指定的區(qū)域范圍內(nèi)(東經(jīng)60°至東經(jīng)150°,北緯0°至北緯65°)雙系統(tǒng)增強(qiáng)服務(wù)的APV-I和LPV-200等級99%可用性覆蓋率比單系統(tǒng)增強(qiáng)服務(wù)的覆蓋率分別提升16%和32%。

BDSBAS已經(jīng)進(jìn)入試運(yùn)行階段,本文的相關(guān)結(jié)果對BDSBAS的后續(xù)民航測試認(rèn)證,DFMC服務(wù)建設(shè)、能力提升具有一定的參考意義。