SBAS監測站構成及部署方法分析

曲鵬程,劉翔,金彪,陳姍姍,夏川茹

(航天恒星科技有限公司,北京 100089)

0 引 言

全球衛星導航系統(GNSS)基本導航系統的服務性能尚不能滿足ICAO附件10卷I中APV至CAT-I段飛行引導要求,尤其在導航服務完好性和告警時間方面．因此,以美歐為代表的多個國家和地區已先后完成星基增強系統(SBAS)的建設,以提高基本導航系統的服務性能．已建成或規劃建設的SBAS服務范圍可參考文獻[1]．根據SBAS服務范圍可知,如圖1所示,北半球中國區域尚屬空白,亟需建設北斗星基增強系統為中國及周邊地區以民航為代表的用戶提供高完好性服務．

圖1 SBAS系統及其服務范圍

SBAS主要組成部分類似,包括空間段、地面段和用戶段三部分．空間段是由地球同步軌道(GEO)衛星構成;地面段包括監測站、主控站、注入站和通信網絡;用戶段是由能夠接收SBAS信號的終端設備構成．其中,地面段中的監測站為SBAS系統提供數據基礎,其構成及分布將會直接影響SBAS服務性能[2-9]．因此,有必要依據現有的成熟SBAS監測站建設情況,分析監測站的構成及其部署方法,為未來SBAS的監測站建設提供參考．

1 監測站構成及分布

在已建成或規劃建設的SBAS中,美國的WAAS與歐洲的EGNOS最為典型,系統建設信息最為全面．本節以這兩個系統為基礎,詳細分析SBAS監測站的主要設備構成及其分布的特點．

1.1 WAAS參考站

WAAS參考站網由分布在美國、夏威夷、波多黎各、阿拉斯加、加拿大和墨西哥等地的38個廣域參考站(WRS)構成[2,9]．如圖2所示，每個廣域參考站(WRS)包含三套設備(WRE),分別稱為WRE-A、WRE-B和WRE-C,每套設備獨立地收集衛星數據．每套設備由一個WAAS接收機、一個銫原子鐘、一個數據采集處理器(DCP)組成[10]．

利用NSTB在網站FTP發布的參考站坐標文件[11]以及相應的地圖信息,通過計算可知WAAS參考站大部分建在機場內部或附近,其中34個參考站建在機場5 km范圍內,其中22個站建在機場內,最遠距離機場17.4 km．WAAS參考站站點之所以選擇在機場附近的原因是WAAS由FAA主導,直接利用現有機場基礎設施,管理完善,成熟度高,降低建設成本;機場具備完善的電磁環境監測手段,能夠有效保障系統安全運營．

1.2 EGNOS監測站

EGNOS地面監測站網由39個監測站(RIMS)構成,其分布情況如圖3所示．每個監測站有一個原子鐘,選用銣鐘或銫鐘,所有監測站的原子鐘共同維持獨立的時間系統．每個監測站由2個或3個通道(A/B或A/B/C)構成,每個通道包含天線、接收機、核心計算機．RIMS-A、RIMS-B通道中一路數據用于差分改正計算,另一路數據用于比較和完好性監測,RIMS-C通道具備信號質量監測(SQM)功能[12]．

圖3 EGNOS監測站分布圖

圖4所示綠色站點表示該監測站含雙通道A/B,一路數據用于差分改正計算,一路數據用于比較和完好性監測．紅色站點表示該監測站含三通道A/B/C,C具備SQM功能．

圖4 兩種監測站分布情況

利用strsvr軟件訪問EGNOS監測站NtripClient返回的SourceTable中監測站的位置信息以及相應的地圖信息,通過計算可知EGNOS監測站大部分建在機場內部或附近．其中,25個監測站建在機場5 km范圍內,20個監測站建在機場內部,EGNOS監測站距離機場的最遠距離為61 km．

1.3 小 結

通過上述分析可知,WAAS與EGNOS地面監測站構成的設計都使用了至少兩套獨立的數據采集通道(WAAS參考站采用3套獨立數據采集通道,EGNOS監測站采用2套或3套獨立數據采集通道),每套獨立通道的基本組成包括1臺監測接收機、1臺計算機以及1臺原子鐘．因此,未來建設SBAS時,地面監測站可以以3個獨立的衛星數據采集通道,每個通道包含1臺監測接收機(含天線)、1臺計算機以及1臺原子鐘的設計作為參考．

此外,WAAS與EGNOS參考站大部分建設在機場內部及其附近區域,主要考慮的因素為可以利用現有機場基礎設施,管理完善,成熟度高,降低建設成本;機場具備完善的電磁環境監測手段,能夠有效保障系統安全運營．因此,SBAS地面監測站的站址選取可以參照以下原則:1)當具備機場建設條件時,將SBAS監測站建設在機場內部;2)當不具備機場建設條件時,SBAS監測站的站址盡量靠近機場．

2 監測站部署

通過第1節內容可知,SBAS監測站的核心設備包括3個獨立的衛星數據采集通道,每個通道包含1臺監測接收機(含天線)、1臺計算機以及1臺原子鐘．監測接收機天線的部署將會影響不同數據采集通道之間衛星數據采集的獨立性．因此,本節將以WAAS為參考,利用實測數據對所有站點天線間距離和構型、監測站觀測數據質量以及不同天線間多路徑相關性等方面開展詳盡分析,進而得出適用于SBAS監測站天線部署的一般方法．

2.1 監測站天線分布

根據NSTB在網站FTP發布的每個廣域參考站3個天線的坐標文件(nstb-XYZ.cfg)[11],各個參考站的天線分布情況如圖5所示.

根據圖5分析可知,WAAS參考站天線距離平均值為8.95 m,70%天線距離<9.3 m,80%天線距離<12.2 m,最大距離41.3 m;除了少數參考站天線的構型為鈍角三角形或直線,大部分參考站天線的構型為銳角三角形或直角三角形．具體天線距離和構型與周圍環境、占地面積相關,同時需降低多路徑相關性的干擾．因此,在場地空間允許的情況下,參考站天線的構型建議采用銳角三角形或直角三角形,而不同天線之間多路徑相關性將會在后續進行分析．

圖5 WAAS廣域參考站天線分布

2.2 監測站數據質量分析

本文采用2019年年積日216～222 WAAS系統的wfai、wotz、wzkc以及wztl四個參考站的實測數據進行數據質量分析,此四個參考站的數據包含了完整的3路不同數據采集單元的衛星觀測數據,數據下載地址見文獻[11]．

首先利用斯坦福大學網站提供的SGMP軟件對下載的參考站數據解碼,然后使用自主開發的程序(SGMP2RINEX.m)將解碼完成的數據轉換成RINEX文件,利用TEQC軟件完成數據質量的分析．

各參考站觀測數據質量評估基于TEQC軟件[13-14]給出的指標,包括反映觀測數據多路徑影響水平的指標MP1、MP2,反映觀測數據接收完整情況的指標“實收-應收觀測比”[14-17]以及反映觀測的數據中跳變數量的指標“觀測-跳變比”(o/slps)[15-18]．

各指標的合格閾值將優先按照國家標準[18]進行設定,其中MP1、MP2值上限設為0.5 m和0.65 m;“實收-應收觀測比”的下限設為95%;而對于o/slps,由于其閾值在國家標準[19]中并沒有明確給出,經對被測站點全年o/slps值的統計分析可知該值主要分布區間為(0,30000),考慮該值越大越優的特點,取該范圍內最小的5%,即o/slps值小于1500為未達標．具體情況如表1所示．

表1 數據質量評估指標閾值

根據圖6統計分析,wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站三路獨立觀測數據的“實收-應收觀測比”、o/slps、MP1與MP2的統計結果如圖6、圖7、表2所示．

圖6 參考站觀測數據完整率

根據圖6統計分析,wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站三路連續7天觀測數據的“實收-應收觀測比”均超過99%,數據觀測完整程度較高且穩定．僅wfai參考站的wfaip3路觀測數據的完整程度相對較低,說明數據中含有較多跳變．

根據表2所示的統計分析,wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站三路連續7天觀測數據的o/slps數值總體上大于閾值1500．僅在年積日21天,出現了wfai與wotz參考站三路觀測數據的o/slps值小于閾值的情況,之后o/slps值重新滿足了指標評估要求．此現象的出現,可能是由于環境干擾導致接收機發生了較多的周跳．

圖7 參考站觀測數據MP1/MP2統計

根據圖7的統計分析,四個參考站中僅wotz站的MP1統計值小于閾值上限,其余三個參考站的MP1統計值均大于閾值上限．但是,wfai、wzkc與wztl參考站的MP1統計值很穩定,在連續7天的時間段內幾乎未發生變化．由于多路徑的產生與參考站周邊的環境密切相關,因此可以通過改善觀測環境來減小多路徑的MP1統計值．同時,四個參考站的MP2統計值均小于閾值上限．

2.3 監測站多路徑相關性分析

利用監測站數據質量分析生成ele、MP1與MP2文件,采用自主開發的程序(PlotMP12-OneWRS.m)對wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站3路數據之間的多路徑相關性進行分析．

本文多路徑相關性的分析采用常用的皮爾遜相關系數計算方法．皮爾遜相關系數法是一種準確度量兩個變量之間的關系密切程度的統計學方法,其大小可以反映兩個變量間線性相關程度的強弱．對于變量A=[A1,A2, …,An]T,B=[B1,B2, …,Bn]T,皮爾遜相關系數的計算公式為[20-21]:

一般情況下,|r|≥0.8時,可視為高度相關; 0.5≤|r|<0.8時,可視為中度相關;0.3≤|r|<0.5時,可視為低度相關;|r|<0.3時,說明兩個變量之間相關性極弱,可視為非相關[22]．

依據上述相關性計算方法,本文以wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站3路數據中所有衛星的多路徑MP1和MP2為計算變量,分別統計了連續7天每天每個參考站3路數據每兩路之間多路徑MP1和MP2的相關系數平均值,具體結果如圖8和圖9所示．

圖8 MP1相關系數統計

圖9 MP2相關系數統計

根據圖8與圖9相關性統計分析可知,wfai、wotz、wzkc以及wztl參考站3路數據每兩路之間所有衛星多路徑MP1和MP2的相關系數的均值均小于0.1,滿足相關系數|r|<0.3的條件,說明SBAS參考站3路數據每兩路之間的多路徑非相關．

2.4 小 結

本節內容以WAAS參考站實測數據為基礎,對SBAS監測站天線的分布、監測站數據質量以及監測站多路徑相關性進行了統計與分析,可以得出SBAS監測站天線部署時,依據場地條件的限制,以銳角或直角三角形的構型最佳,并盡可能地增加天線間的距離,使不同天線之間觀測數據多路徑非相關．同時,監測站的數據質量也需要滿足相關閾值的限制．

3 結 論

本文以WAAS和EGNOS公布的系統信息以及實測數據為基礎,利用斯坦福大學網站提供的SGMP軟件,以及TEQC軟件對實測數據進行計算．通過上述的統計分析,得到適用SBAS監測站構成及部署的通用方法．具體如下:1) SBAS監測站應建設在機場內部或附近區域,附近區域的距離以5 km為參考;2) SBAS監測站應配置3個獨立的衛星數據采集通道,每個通道包含1臺監測接收機(含天線)、1臺計算機以及1臺原子鐘;3) SBAS監測站的天線構型應采用銳角三角形或直角三角形,天線間的距離以9 m為參考;4) SBAS監測站的環境應使觀測數據質量評估指標滿足“實收-應收觀測比”≥95%、o/slps大于等于1500、MP1≤0.5、MP2≤0.65閾值的限制;5) SBAS監測站3路數據間多路徑相關系數統計值應小于0.1．上述方法可以作為新建SBAS中監測站選址及核心設備配置的參考,為SBAS監測站的建設提供有效的實施依據．