星基增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真平臺設計

劉禹彤，李 銳，王君君

（北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191）

0 引言

目前全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system， GNSS）主要的核心星座包括美國的全球定位系統(tǒng)（global positioning system， GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system， GLONASS）、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)（Galileo positioning system， Galileo）和中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system， BDS）。由于單獨使用核心星座無法滿足航空用戶對精度和完好性的要求，因此增強系統(tǒng)應運而生。增強系統(tǒng)包括星基增強系統(tǒng)（satellite-based augmentation system， SBAS）、空基增強系統(tǒng)和陸基增強系統(tǒng)[1]。其中 SBAS覆蓋范圍廣，在航空航海應用上更具優(yōu)勢。

“中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)白皮書”[2]指出，北斗三號建設過程中需同時開展增強系統(tǒng)與基本系統(tǒng)一體化建設，不僅要實現(xiàn)全球基本導航服務，還要為亞太地區(qū)提供星基增強服務，提高系統(tǒng)服務精度和可靠性。

SBAS對地面站的衛(wèi)星信號進行處理，計算得到各類改正數(shù)及完好性信息，并通過地球靜止軌道衛(wèi)星將信息播發(fā)給用戶。其最重要的功能之一是提供完好性監(jiān)測，以保證航空用戶的生命安全。目前，大多數(shù)GNSS仿真軟件只具備定位解算等功能，缺少完好性故障模塊，難以支持完好性監(jiān)測方法的測試與研究。由于實測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)完好性故障的概率很小，難以用實測數(shù)據(jù)開展測試，因此需要人為添加特定的故障，生成仿真數(shù)據(jù)，以支持完好性監(jiān)測模塊的開發(fā)與測試。

1 總體設計

本文提出一種SBAS數(shù)據(jù)仿真平臺的設計方案，輸入實測數(shù)據(jù)并添加各類完好性故障作為仿真事件，并輸出處理后的數(shù)據(jù)到后續(xù)模塊，以期為我國 BDS SBAS完好性監(jiān)測能力的測試驗證提供解決思路。

本文設計的星基增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真平臺通過圖形界面對監(jiān)測站、衛(wèi)星及完好性故障進行參數(shù)配置，并處理觀測數(shù)據(jù)，為后續(xù)SBAS處理模塊提供數(shù)據(jù)源。軟件主要包括 5大模塊：人機交互、數(shù)據(jù)導入、故障生成、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)輸出，整體架構如圖1所示。

圖1 SBAS數(shù)據(jù)仿真平臺架構

用戶首先通過人機交互模塊進行靈活的參數(shù)配置。可選擇數(shù)據(jù)處理的時間、監(jiān)測站的區(qū)域、監(jiān)測站及用戶站列表、衛(wèi)星星座、添加故障的類型及故障參數(shù)等。同時，主界面還會顯示監(jiān)測站和用戶站的位置地圖。人機交互模塊主界面如圖2所示。

圖2 人機交互模塊主界面

數(shù)據(jù)導入模塊主要負責根據(jù)人機交互模塊配置的參數(shù)，將用戶選取的觀測文件和導航文件導入系統(tǒng)。文件格式采用與接收機無關的交換格式（receiver independent exchange format， RINEX）。目前本設計方案支持 RINEX 2.11版本[3]和 RINEX 3.02版本[4]。監(jiān)測站可選擇美國區(qū)域的廣域增強系統(tǒng)（wide area augmentation system， WAAS）和中國地區(qū)的連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（continuously operating reference system， CORS）監(jiān)測站。

故障生成模塊根據(jù)人機交互界面配置的完好性故障參數(shù)生成不同類型的故障事件，并計算故障對觀測數(shù)據(jù)產生的影響。將完好性故障分為 3類：空間信號故障、監(jiān)測站故障、傳播段故障。

數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)用戶的選擇將導入數(shù)據(jù)進行前期處理并疊加完好性故障模塊造成的影響，得到添加故障后的碼偽距和載波相位仿真觀測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)輸出模塊負責將處理后的數(shù)據(jù)按照RINEX標準文件格式進行輸出。輸出的觀測文件和導航文件將用于幾何法仿真、動力法仿真、電離層處理、增強電文生成、用戶算法仿真、性能評估等各個處理模塊，以支持SBAS仿真平臺后續(xù)的各項功能設計和性能評估工作。

2 完好性故障模塊設計

完好性故障生成模塊是SBAS數(shù)據(jù)仿真平臺的核心模塊。根據(jù)實測故障來源，將完好性故障分為3類：空間信號故障；監(jiān)測站故障；傳播段故障。本方案采用仿真模型計算故障引起的誤差并直接疊加到真實碼偽距和載波相位觀測值上，既可保證數(shù)據(jù)源貼近實際情況，又便于后續(xù)對加入故障前后數(shù)據(jù)的分析驗證。

2.1 空間信號故障

空間信號故障主要包括星鐘故障和星歷故障。

星鐘故障是由于衛(wèi)星原子鐘部件缺陷或老化引起的，產生的誤差可分為漂移和跳變 2種形式。其中時鐘漂移通過疊加隨時間線性變化的斜坡值來模擬，而時鐘跳變可通過疊加常數(shù)值（階躍值）來模擬。在GPS標準定位服務性能規(guī)范[5]中，星鐘誤差的變化率正常情況下應不大于 0.006 m/s。通過對2000—2017年GPS標準定位服務故障報告[6]進行分析，星鐘斜變故障是實際最可能產生的空間信號故障。當星鐘產生故障而導致變化率異常增大時，在百秒內引起的測距誤差最高可達到數(shù)百米甚至數(shù)千米。

由于衛(wèi)星軌道運動具有周期性，導致其受到的自然擾動具有規(guī)律性，故自然擾動不屬于完好性故障研究范圍。因此星歷故障的產生原因主要是由于衛(wèi)星機動調軌，屬于計劃內中斷，衛(wèi)星將提前預報，并設置其健康標識為不健康狀態(tài)。故本設計方案暫不考慮加入星歷故障。

用戶可通過人機交互界面進行故障參數(shù)的配置。空間信號故障參數(shù)配置界面如圖3所示。參數(shù)包括故障起止時間、故障衛(wèi)星編號、故障類型選擇（階躍或者是斜坡）、階躍值或斜坡值。斜坡值是GPS L1頻點碼偽距觀測量增量的變化率，單位m/s，階躍值是碼偽距觀測量的增加值，單位m。配置完參數(shù)后，空間信號故障添加流程圖如4所示。

圖3 空間信號故障參數(shù)配置界面

圖4 添加空間信號故障流程

2.2 監(jiān)測站故障

監(jiān)測站故障一般考慮2種情況：第一種情況是監(jiān)測站周邊電磁干擾會引起信號載噪比嚴重惡化，測距誤差急劇增大。由于電磁影響具有隨機性，采用均值為 0的高斯噪聲作為電磁場異常變化對偽距和載波相位觀測值的影響。用戶輸入監(jiān)測站電磁故障的起止時間、監(jiān)測站名稱，以及高斯方差因子，便會生成服從相應高斯分布的噪聲疊加到觀測值上。

第二種情況是監(jiān)測站通信網絡中斷而導致觀測數(shù)據(jù)質量下降至不能正常提供服務。在故障發(fā)生時間內，該故障站將接收不到任何有效觀測數(shù)據(jù)和導航文件，正在接受的文件也被迫中斷。監(jiān)測站故障參數(shù)配置界面如圖5所示。添加監(jiān)測站故障流程如圖6所示。

圖5 監(jiān)測站故障參數(shù)配置界面

圖6 添加監(jiān)測站故障流程

2.3 傳播段故障

導航信號從衛(wèi)星到接收機的傳播途中產生的誤差主要有電離層誤差、對流層誤差以及多徑干擾。其中，電離層延遲是最主要的誤差來源。電離層異常具有很強的隨機性，主要包括電離層暴和電離層閃爍。閃爍是由于電離層中小尺度不均勻體結構引起的，會導致跟蹤信號失鎖，接收機在短時間內無法跟蹤一顆或多顆可見衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的冗余性，電離層閃爍對定位結果影響有限，因此本設計方案中暫不考慮電離層閃爍的影響。

電離層暴是指由于太陽爆發(fā)的強烈地磁暴引起地球空間環(huán)境發(fā)生劇烈擾動，電離層物理參量相對正常狀態(tài)嚴重偏離的現(xiàn)象。隨著強磁暴的發(fā)生，全球范圍內的電離層都會出現(xiàn)劇烈變化。電離層暴造成較大的電子密度及電子含量梯度變化，將引起電離層時空相關性的降低，是影響導航定位系統(tǒng)的重要因素[7]。因此，傳播段故障仿真中主要對電離層暴進行建模。

對于SBAS可能存在的電離層擾動影響有2種形式[8]：“泡狀”影響是指在平靜電離層環(huán)境包圍中，某一小范圍區(qū)域電離層延遲產生異常變化，且隨時間變化異常擾動只發(fā)生在此范圍內，不發(fā)生移動，電離層異常區(qū)域呈區(qū)塊狀。“墻”狀影響是指在平靜電離層環(huán)境上疊加隨距離呈梯度變化，且隨時間移動的擾動影響，電離層異常區(qū)域呈延伸狀。

斯坦福大學 GPS實驗室基于北美所在中緯度地區(qū)的電離層異常數(shù)據(jù)提出了局域增強系統(tǒng)（local area augmentation system， LAAS）楔形模型，在該模型中，異常情況下的電離層被認為是一個線性半開放的楔形前端，而且相對于地面以固定的速度在移動[9]。楔形模型由電離層異常前端運動速度、寬度和梯度3個參數(shù)決定[10]。

結合以上3種電離層暴的模型，本設計方案采用圓臺來建立電離層暴仿真模型，將該模型加到平靜期的電離層垂直延遲數(shù)據(jù)中來仿真風暴期的觀測數(shù)據(jù)[11]。該模型可調整參數(shù)的大小來仿真不同電離層暴的規(guī)模、方向、速度、前端梯度等。圓臺的截面圖如圖7所示。該模型實際是在電離層薄殼模型基礎上加的2維圓形電離層垂直延遲增量。

圖7 圓臺截面

用戶在人機交互界面中選擇電離層暴模型的相關參數(shù)。參數(shù)分為2類：第一類是圓臺參數(shù)，包括上下底面半徑和最大延遲值（GPS L1頻點電離層垂直延遲增量值）；第二類是模型運動參數(shù)，包括風暴中心點初始經緯度、移動速度和方向、風暴起止時間。人機交互界面的電離層暴參數(shù)配置界面如圖8所示。

在觀測數(shù)據(jù)中添加電離層暴的處理流程如圖 9所示。首先根據(jù)觀測站和衛(wèi)星位置，計算出電離層穿透點（ionosphere pierce point， IPP）經緯度，以及傾斜因子。根據(jù)經緯度，判斷是否需要加入風暴模型的電離層垂直延遲增量值，若需要，則可以加入仿真模型后的雙頻碼偽距和載波相位值，其計算公式為

圖8 電離層風暴參數(shù)配置界面

圖9 添加電離層暴流程

式中：ρ1和ρ2分別是原雙頻碼偽距觀測值；φ1和φ2是原雙頻載波相位觀測值；和是加入電離層暴后的觀測值；c是真空中的光速；f1和f2代表雙頻頻點；FIPP是傾斜因子；h是L1頻點電離層垂直延遲值增量。

3 仿真結果與分析

本文選取了美國WAAS的zau1站點2015年年積日第 176天 RINEX 2.11版本的觀測數(shù)據(jù)進行仿真和測試。由于用戶配置的故障參數(shù)作為誤差項直接加在L1頻點偽距上，因此選擇加入故障前后L1頻點偽距的差值進行繪圖可直觀顯示出故障添加的正確性。

3.1 空間信號故障測試結果

空間信號故障分為 2類，階躍故障和斜坡故障。在GPS的2號衛(wèi)星上分別添加0.01 m/s的斜坡故障和30 m的階躍故障，故障起止時間是3～4 h，單位為GPS時(GPS time， GPST)。添加故障與不添加故障的衛(wèi)星L1偽距差值如圖10所示。由圖10可以看出，本文設計的軟件可準確添加2種空間信號故障。

圖10 空間信號故障添加結果

以 WAAS的zau1站真實位置為參考值，計算GPS單頻水平定位誤差，結果如圖11所示。由圖11可以看出，添加了斜坡故障后，定位誤差明顯增大，且隨故障時間增加，誤差越來越大。去除單顆故障衛(wèi)星后，定位結果得到顯著改善，與不添加故障的結果相近。

圖11 空間信號故障定位誤差結果

3.2 監(jiān)測站故障測試結果

當監(jiān)測站故障導致 RINEX文件不能正常接收時，故障發(fā)生時間內的所有觀測數(shù)據(jù)都為 0，測試結果略。當監(jiān)測站周圍添加不同方差大小的電磁故障時，故障起止時間為1～2 h，添加故障與不添加故障的某顆衛(wèi)星L1偽距差值如圖12所示。由圖12可以看出，方差因子越大，觀測值受到的干擾越大。當監(jiān)測站出現(xiàn)電磁故障時，故障站接收到的所有衛(wèi)星的觀測值都會受到影響。

圖12 監(jiān)測站電磁故障添加結果

加入方差因子為10的電磁故障定位 誤差結果如圖13所示。不加故障時的定位誤差在1 m左右，加入電磁故障后定位誤差增至最大近20 m。

圖13 監(jiān)測站電磁故障定位結果

3.3 傳播段故障測試結果

圖14 圓臺模型示意

圖15 電離層暴添加結果

根據(jù)實際發(fā)生的電離層暴的典型參數(shù)，設置仿真模型的圓臺參數(shù)為上底面半徑600 km，下底面半徑800 km，最大延遲值為30 m，模型3維示意圖如圖 14所示。當加入電離層暴時間為 2～3 h，且風暴處于運動狀態(tài)時，所有受到風暴影響的衛(wèi)星L1偽距增加值（電離層斜延遲增量）隨時間變化結果如圖15所示。穿透點相同時，衛(wèi)星仰角越低，傾斜因子越大，穿過電離層暴區(qū)域產生的斜延遲量越大。

加入上底面半徑600 km，下底面半徑800 km，最大延遲值為30 m，時間為2～3 h的電離層暴模型后的定位結果如圖16所示。由于單頻定位解算中使用的電離層廣播模型無法預測電離層暴的影響，因此單頻定位誤差可達到數(shù)十米，而雙頻定位解算可有效減少電離層暴的影響。

當風暴模型靜止時，單站所有衛(wèi)星1～7 h穿透點示意圖如圖 17所示。圖中五角星是風暴中心位置。以風暴中心為圓心，半徑800 km范圍內是風暴區(qū)域。600 km范圍內電離層垂直延遲增量為最大值30 m，600 km到800 km范圍內延遲增量呈線性減小。受到風暴影響的單顆衛(wèi)星電離層垂直延遲增加值隨時間變化如圖18所示。測試結果與設計目標一致。

圖16 電離層風暴定位結果

圖17 電離層穿透點垂直延遲增量示意

圖18 風暴影響下衛(wèi)星電離層垂直延遲增量

4 結束語

本文設計了可通過圖形界面配置參數(shù)的星基增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真平臺，并實現(xiàn)了添加完好性故障的功能。基于對實際觀測數(shù)據(jù)的總結分析，將故障分為了空間信號故障（包括階躍故障和斜坡故障）、監(jiān)測站故障以及傳播段故障。經仿真測試驗證，空間信號故障影響單顆衛(wèi)星的觀測值，監(jiān)測站故障影響故障站接收到的所有觀測數(shù)據(jù)，傳播段故障影響穿透點在風暴區(qū)域內的觀測值。實驗結果與目標相符，證明本文的設計方案可準確有效地在觀測值中加入各類完好性故障，實現(xiàn)了預期功能。另外，各類故障參數(shù)在不同條件下的合理取值有待進一步研究驗證。