衛星導航系統性能規范及其評估結果研究

宋曉麗，耿長江

（中國衛星導航系統管理辦公室 測試評估研究中心/中國航天電子技術研究院 衛星導航系統工程中心，北京 100094）

0 引言

隨著衛星導航系統的發展，目前已形成了以北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）、美國全球定位系統（global positioning system， GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system， GLONASS）和歐盟伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system， Galileo）4大全球衛星導航系統（global navigation satellite system， GNSS）等多系統并存的態勢。衛星導航系統性能已成為衛星導航領域競爭的重點。在全球衛星導航系統國際委員會（International Committee on Global Navigation Satellite Systems，ICG）、國際民航組織（International Civil Aviation Organization， ICAO）和美國導航學會（The Institute of Navigation， ION）會議等重大會議上都會有服務性能指標體系的相關議題。但目前 GNSS應用領域內尚未形成統一服務性能指標體系，因此深入研究各衛星導航系統服務性能規范及指標體系具有重要意義，將進一步加強對性能指標和評估方法的認識，有利于逐步形成統一服務性能規范及指標體系。

本文在研究BDS、GPS、GLONASS和Galileo 4大衛星導航系統服務性能指標體系的基礎上，給出了相關指標的評估算法，并通過國際GNSS服務組織（International GNSS Service， IGS）、信息分析中心（Information and Analysis Center， IAC）和國際 GNSS監測評估系統（international GNSS monitoring and assessment system， iGMAS）提供的數據與產品對4個系統的服務性能進行評估，與服務性能規范相比較，以驗證其服務性能。

1 服務性能規范及指標體系

目前，GPS已發布了4版《GPS標準定位服務性能標準》[1-4]（global positioning system standard positioning service performance standard， GPS SPS PS），有完善的衛星導航系統服務性能評估體系，在4大衛星導航系統中是最成熟的。監測評估領域內正在努力推進的GNSS服務性能指標體系很大程度上參考了GPS服務性能指標體系。

GLONASS官方尚未發布類似GPS SPS PS的GLONASS服務性能規范，但已向GLONASS重要應用領域——國際民航組織提交了 GLONASS服務性能參數，會根據GLONASS狀態進行指標更新。國際民航組織公約附件10《全球衛星導航系統標準和建議措施及指導材料（2011年第86次修訂版）》[5]（以下簡稱“民航公約附件 10”）中給出了 GLONASS標準精度通道服務性能指標，包括定位精度和可用性、測距精度、時間轉換精度和可靠性等。

BDS計劃在2020年前后，完成35顆衛星發射組網，為全球用戶提供服務，已于2012年12月27日完成區域階段部署，可為亞太大部分地區提供公開服務。2013年12月 BDS正式發布了《北斗衛星導航系統公開服務性能規范（V1.0）》[6]（以下簡稱“BDS服務規范”）。

Galileo是歐洲獨立發展的全球衛星導航系統，提供高精度、高可靠性的定位服務，計劃由30顆衛星組成，已于 2016年 12月具備初始運行服務能力，將在2020年具備全面運行能力。2002年歐洲空間局發布的《Galileo任務頂層定義》[7]文件中明確提到了Galileo提供5種服務，針對公開服務、商業服務、生命安全服務、公共管制服務和搜救服務首次給出了性能指標參數。隨著Galileo的不斷發展完善，2016年歐洲委員會對外發布了《Galileo初始服務公開服務定義文檔》[8]（Galileo initial service-open service-service definition document， Galileo OS SDD），類似 GPS SPS PS 和BDS服務規范。

本文按照BDS、GPS、GLONASS和Galileo的服務性能規范，梳理出了現階段各自的公開服務性能參數，如表1所示。

表1 各衛星導航系統服務性能參數

續表1

表1中：URE（user ranging error）為用戶測距誤差；PDOP（position dilution of precision）為位置精度衰減因子；GGTO（Galileo to GPS time offset）為Galileo與GPS系統時偏差。

從表1可以得知BDS服務性能指標體系與GPS服務性能指標體系類似，二者有13個共同的服務性能參數。但各衛星導航系統更多的立足于系統自身性能的角度來定義服務性能指標體系，故而參數類型有所不同，主要體現在以下幾點：

1）GPS有 11大類 24個服務性能參數，GLONASS有8大類16個服務性能參數，BDS有9大類14個服務性能參數，Galileo有 6大類 11個服務性能參數；

2）Galileo服務性能參數類型與其他系統差異較大，參數類型相對其他系統較少，但對具體某類參數進行了詳細劃分，從多角度展開評估；

3）覆蓋性能評估方面，BDS采用單星覆蓋范圍來評估，GPS采用單星覆蓋范圍和星座覆蓋范圍來評估，Galileo和GLONASS采用星座覆蓋范圍來評估；

4）空間信號精度評估方面，各衛星導航系統都涉及到了測距誤差，同時各系統結合自身特點采用其他參數來評估；

5）服務性能評估方面，GPS和GLONASS對定位精度和可用性的評估，分為全球平均和最壞情況來評估，BDS針對全球平均情況來評估，Galileo尚未給出相應的評估；

6）現階段，僅 GPS公開發布的規范中涉及了空間信號完好性參數，其他系統的規范中尚未涉及該參數，僅GLONASS涉及了可靠性參數，其他系統尚未涉及該參數。

2 服務性能指標對比分析

GPS L1頻點服務性能指標要求參照《GPS SPS PS》，GLONASS L1頻點服務性能指標要求參照《民航公約附件10》，BDS B1頻點服務性能指標要求參照《BDS服務規范》，Galileo E1、E5a、E5b單頻或雙頻組合服務性能指標要求參照《Galileo OS SDD》

，各系統的服務性能指標具體如表2所示。表2中：GEO（geostationary Earth orbit）為地球靜止軌道；IGSO（inclined geosynchronous satellite orbit）為地球傾斜同步軌道；MEO（medium Earth orbit）為中圓地球軌道。

從表2可以看出，BDS和GPS的測距率誤差、測距加速度誤差和PDOP可用性指標要求相同，同時各系統由于各自發展階段和認知的不同，以及各系統自身設計的考慮，系統服務性能指標要求存在差異：

1）指標要求適用頻點不同。GPS、GLONASS和BDS的服務性能指標針對單頻點信號，而Galileo的服務性能指標適合初始運行服務的單頻點和雙頻點信號。

表2 各系統服務性能指標分析

2）單星或星座覆蓋范圍不同。各衛星導航系統衛星高度和主波束角的不同，決定了衛星信號可覆蓋到地面以上多少千米的范圍內。

3）單星測距誤差指標要求不同。這由各衛星導航系統軌道誤差和鐘誤差決定；Galileo的衛星鐘性能最優，故而 Galileo的單星測距誤差指標要求最高。

4）非計劃故障中斷指標要求不同。GPS非計劃故障中斷指標要求最高，結合日常監測結果而言，GPS信號中斷最少；BDS非計劃故障中斷指標要求結合系統自身的特殊性，分 GEO衛星、IGSO衛星、MEO衛星3類衛星給出；GLONASS和Galileo尚未給出非計劃故障中斷指標要求。

5）告警機制不同（狀態與問題報告）。BDS尚未發布告警機制；Galileo對于計劃事件的告警要比GPS的告警提前24 h，對于非計劃事件的告警給出了明確的時間范圍；GLONASS在俄羅斯航天國家集團中央機械制造研究院信息分析中心網上給出了告警，但并未對告警時間給出嚴格要求。

6）單星可用性指標要求不同。這與各衛星導航系統信號中斷時間密切相關；結合日常監測結果而言，GPS信號中斷較少，中斷時間較短。

7）定位精度和定位可用性指標要求不同。這與系統自身的服務性能以及對電離層參數等其他參數的改正精度有關；結合日常監測情況而言，GPS的定位精度指標要求較為保守；推測Galileo由于尚在建設中，暫未給出該部分指標。

3 服務性能實測評估

3.1 服務性能評估算法

各系統性能指標評估算法整體思路基本一致，在具體參數設置上由于系統自身的差異會有所不同，本文給出了空間信號 URE、空間信號連續性、空間信號可用性、PDOP可用性和單點定位精度指標評估算法。

1）URE精度。空間信號 URE是導航衛星位置與鐘差的實際值與利用導航星歷得到的預測值之差，是導航電文（導航星歷和鐘差）精度的確切反映，主要組成部分是軌道誤差和衛星鐘誤差，一般用“全球平均 URE”來表征。軌道誤差通過廣播軌道與精密軌道作差獲得，衛星鐘誤差除廣播鐘差與精密鐘差作差外，還需要消除各衛星由于基準鐘不同而對鐘差產生的差異；計算公式為式中：URE為用戶測距誤差；R為徑向誤差；C為法向誤差；A為切向誤差；T為鐘誤差；c為光速；α、β為系數。各系統衛星高度不同，對應的系數值不同[9-12]：BDS GEO/IGSO衛星，α和β分別為 0.99和 1/127；BDS MEO衛星，α和β分別為0.98和1/54；GPS衛星，α和β分別為0.98和0.141；GLONASS衛星，α和β分別為0.98和0.149；Galileo衛星，α和β分別為0.985 3和0.120 8。

2）空間信號連續性。空間信號連續性是指規定時間段內空間信號保持健康而不發生非計劃中斷的概率。從可靠性的原理出發，可推出系統在一段時間內的可靠運行概率，則任意1 h內系統可靠運行的概率，即連續性概率，其的計算式為

式中：P為連續性；MTBF為平均故障間隔時間。MTBF越小，則故障發生越頻繁，連續性越差；反之連續性越好。由于空間信號連續性與非計劃中斷密切相關，因此計算MTBF時，要剔除由計劃中斷（至少提前48 h預報）引起的故障。

3）空間信號可用性。空間信號可用性（單星可用性）是規定軌道位置上的衛星提供健康空間信號的概率，可通過衛星健康可運行時間與實際總運行時間的比值得到。空間信號可用性計算公式為

式中：A為連續性；U為衛星健康可運行時間，根據 BDS接口控制文件中定義“衛星自主健康信息（SatH1）”，“0”表示衛星可用，“1”表示衛星不可用；T為衛星實際總運行時間。

4）PDOP。PDOP能反映衛星的空間幾何分布情況，PDOP越小，空間幾何分布越好，反之空間幾何分布越差。根據某一時刻導航電文中的衛星位置，可計算出該時刻全球任意位置的PDOP值，計算過程中，需剔除低高度角衛星。PDOP可用性是PDOP的統計值。

5）定位精度。定位誤差是系統提供給用戶的位置與用戶真實位置之間的誤差，由廣播星歷提供的衛星軌道位置和觀測文件提供的衛星各頻點偽距觀測值列出觀測方程，用最小二乘法求解獲得。其中，要剔除低高度角衛星，并對對流層、電離層、相對論效應等進行改正。定位精度是定位誤差的統計值，本文取定位誤差的95 %。

3.2 服務性能評估結果

本文利用 iGMAS、IAC和 IGS多GNSS實驗網（multi-gnss experiment， MGEX）提供的數據和產品，根據 3.1節給出的評估算法，評估各系統2018年 1月1日至2018年9月 30日期間的空間信號性能和導航服務性能。

1）空間信號精度。利用 2018年 1月 1日至2018年 9月 30日期間 BDS廣播星歷和 iGMAS精密星歷、GPS廣播星歷和IGS精密星歷、GLONASS廣播星歷和 IAC精密星歷、Galileo廣播星歷和iGMAS精密星歷計算各系統的空間信號精度，如圖1所示。

圖 1中，橫線代表了各衛星導航系統對各系統空間信號精度的指標要求，從中可以看出各衛星導航系統空間信號精度滿足指標要求。其中，GPS SVN34（PRN04）號衛星已退役，GLONASS GC723（SLOT12）號衛星沒有精密星歷數據，故未參與統計。Galileo未發射和未播可用信號衛星未參與統計。

2）空間信號連續性。分別利用2018年1月1日至2018年9月30日期間BDS廣播星歷和中斷類型、GPS廣播星歷和導航衛星用戶告警信息、GLONASS廣播星歷和IAC告警信息計算各系統的空間信號連續性，如圖2所示。

從圖 2中可以看出：BDS單星空間信號連續性在排除計劃中斷的情況下均滿足指標要求；GPS單星空間信號連續性在排除計劃中斷的情況下均滿足指標要求，GPS SVN34（PRN04）號衛星已退役，故未參與統計；由于GLONASS沒有公布空間信號連續性標準，暫不評定GLONASS衛星空間信號連續性性能是否滿足指標要求，但統計結果仍可反映出GLONASS衛星空間信號的連續性情況，可供參考。

圖1 各衛星導航系統空間信號精度

圖2 各衛星導航系統空間信號連續性

Galileo還處于系統建設階段，并且 Galileo尚未對外公布空間信號連續性性能標準，故本文暫未評估Galileo衛星空間信號連續性。隨著未來Galileo發射更多衛星后，后續將進一步開展Galileo衛星空間信號連續性評估工作。

3）空間信號可用性。分別利用2018年1月1日至2018年9月30日期間 BDS、GPS、GLONASS和Galileo各系統的廣播星歷計算各系統的空間信號可用性，如圖3所示。

從圖3中可以看出：BDS各衛星空間信號可用性均滿足指標要求，GEO-3號衛星服役已到期限，相比其他衛星而言可用性較低，于2018年9月29日處于維護狀態；GPS空間信號可用性滿足指標要求，SVN34（PRN04）號衛星已退役，故未參與統計；GLONASS沒有公布空間信號可用性標準，暫不評定GLONASS衛星空間信號可用性是否滿足指標要求，但統計結果仍可反映出GLONASS衛星空間信號的可用性情況，可供參考。Galileo各衛星空間信號可用性均滿足指標要求，系統未發射和未播可用信號衛星未參與統計。

4）PDOP可用性。分別利用2018年9月1日至2018年9月30日期間BDS、GPS、GLONASS和Galileo各系統的廣播星歷，按照前面提到的算法，計算BDS服務區域內和其余系統全球區域內各個格網點（2.5°×5°）PDOP≤6可用性的統計情況，如表3所示。

表3 PDOP可用性

從表 3可以看出，GPS、GLONASS全球區域內，BDS服務區域內，PDOP≤6可用性約為100 %。Galileo隨著后續新衛星的發射，PDOP≤6可用性將會有更明顯提高。

5）定位精度。利用iGMAS和 IGS MGEX各站提供的BDS B1I頻點、GPS L1頻點、GLONASS G1頻點和 Galileo E1頻點觀測數據分別進行單點偽距定位解算，對定位精度（PDOP≤6）進行統計，結果如表4所示。

圖3 各衛星導航系統空間信號可用性

表4 各系統各站定位結果（95 %） m

從表4可以看出，各站BDS B1I水平定位精度處于2 m左右，垂直處于5 m左右，滿足BDS指標要求（水平≤10 m，垂直≤10 m）。GPS L1頻點水平定位精度處于2 m左右，垂直處于5 m左右，滿足GPS指標要求（水平≤9 m，垂直≤15 m）。GLONASS G1頻點水平定位精度處于8 m左右，垂直處于14 m左右，滿足民航公約附件10最差位置指標要求（水平≤12 m，垂直≤25 m）。Galileo尚未給出定位精度指標要求，統計結果供參考。

4 結束語

本文研究了BDS、GPS、GLONASS和Galileo各衛星導航系統的服務性能指標及其評估算法，并對各系統服務性能指標進行了對比分析。在此基礎上，利用iGMAS、IAC和IGS MGEX提供的數據和產品，對各系統空間信號精度、空間信號連續性、空間信號可用性、PDOP可用性和定位精度性能進行了評估。從評估結果可以看出，各系統服務性能均可滿足各自的指標要求。

系統服務性能評估需要建立統一的規范，GPS SPS PS相對成熟，BDS、Galileo也公布了各自的公開服務性能規范文件，GLONASS尚未發布公開服務性能規范文件，缺乏公開的性能指標測試評估方法。隨著衛星導航系統的不斷發展，期望加強各系統的交流與合作，建立統一的、適用于各系統的GNSS公開服務性能規范，進一步提升各系統服務性能，推進衛星導航系統在航空、海事和交通等領域中的應用。