BDS衛星空間信號異常探測及性能評估方法研究

范麗紅

中國科學院國家授時中心，陜西 西安 710600

全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)的空間信號異常會對用戶的導航定位性能產生影響。異常信號的探測和性能評估對廣播星歷播發的空間信號(signal-in-space,SIS)的連續性、可用性和完好性等顯得尤為重要。

北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)，除與其他導航系統類似，不可避免地存在未被監測的空間信號異常外，由于星座構型的特殊性，地球靜止軌道衛星(GEO)和傾斜地球同步軌道衛星(IGSO)還存在較頻繁的軌道機動，此時，衛星廣播星歷播發的位置信息與衛星真實的軌道不符，同樣會導致空間信號異常。在現有ARAIM(advanced receiver autonomous integrity monitoring)研究中，BDS衛星故障分配和故障率均是保守估計值，與實際不符，導致在應用時存在一定風險。因此，如何準確探測BDS衛星軌道機動、衛星鐘和軌道誤差等引起的空間信號異常，為用戶提供準確的系統可用性和連續性評估指標就顯得尤為迫切。基于此，本文針對上述問題開展了系統研究，主要成果如下：

(1) 系統研究了BDS衛星軌道機動的調控手段及軌道機動對軌道根數的影響，提出了一種基于ROOTA和健康狀態標識的BDS衛星軌道機動探測方法，并通過2015年的廣播星歷數據獲取了BDS衛星的軌道機動周期及軌道恢復時長。

(2) 研究了BDS衛星軌道機動對服務性能影響，特別是GEO衛星軌道機動對BDS系統在非精密進近(non-precision approach,NPA)階段的RAIM可用性影響。仿真結果表明，若各GEO衛星在UTC 07—08 h和15—16 h發生軌道機動，BDS在亞太區域的服務可用性最大降低至97.8%；由實際的軌道機動時段分析發現，C04衛星在UTC 14—23 h和C05衛星在00—05 h的軌道機動使得BDS在亞太區域的RAIM可用性低于99.9%，兩顆衛星的影響范圍主要為亞太區域上下兩端的邊角部分。

(3) 針對目前傳統精密星歷比較法用于BDS衛星空間信號異常探測時，存在閾值難以確定和易受鐘差粗差污染問題，研究提出了一種改進的精密星歷探測空間信號異常方法。改進方法首先采用中位數法探測鐘差粗差，避免鐘差基準粗差污染空間信號誤差；其次采用初始經驗閾值結合截尾數據SISRE(signal-in-space range error)真誤差進行兩步閾值策略探測空間信號異常。2015—2016年的探測試驗結果表明，改進方法能有效避免衛星粗差導致的星座故障。

(4) 提出并建立了一種基于多監測站實時數據的空間信號異常實時探測方法，在接收機鐘差求解和IURE(instantaneous user range error)的計算與統計均提出了新的處理策略，較好地解決了現有利用觀測數據探測空間信號異常需要用到精密星歷的問題。利用2015年1月的空間信號異常實時探測的算例結果表明，對多監測站數據采用改進方法可有效排除接收機端故障，新方法能實時準確探測空間信號異常(包括軌道機動)的起止時刻。

(5) 首次分析歸納給出BDS衛星空間信號性能評估時的四類故障模式(與衛星服役周期有關的長期故障，與衛星軌道機動相關的維護故障，與衛星隨機可修復異常相關的短期故障，以及三類故障綜合影響的等效故障)，并獲取了各類故障的平均故障間隔(mean time between failure,MTBF)和平均修復時間(mean time to repair,MTTR)，進而評估了BDS衛星空間信號的可用性和連續性。