星基增強系統（SBAS）用戶端定位算法設計

韋建成，張 睿，雷哲哲，韓 笑

星基增強系統（SBAS）用戶端定位算法設計

韋建成，張 睿，雷哲哲，韓 笑

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

星基增強系統作為GNSS的重要組成部分，通過提供廣播星歷差分改正與完好性增強信息，滿足高精度高完好性用戶使用需求。本文主要設計了一套完整的星基增強系統單雙頻用戶端定位算法處理策略，根據自編程序，驗證了算法的正確性。

全球衛星導航系統；用戶端；星基增強系統

0 引言

隨著衛星導航技術的發展及導航定位用戶需求的不斷提升，利用廣播星歷進行單點定位的結果已無法滿足高精度用戶對GNSS系統精度以及完好性的要求。因此星基增強系統（Satellite Based Augmentation System, SBAS）應運而生[1-3]。SBAS采用地球同步軌道衛星（Geostationary Earth Orbit，GEO）作為通信方式，向用戶提供GNSS差分改正和完好性數據，實現對原有衛星系統定位精度的改進[4]。自20世紀90年代起，世界各國相繼開展SBAS項目建設。目前有很多SBAS系統已經建設完畢或計劃建設，包括美國的廣域增強系統（Wide Area Augmentation System，WAAS）、歐洲的地球同步衛星導航增強服務系統（European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS）、日本的基于多功能傳輸衛星的增強系統（Multifunctional Transport Satellite based Augmentation System，MSAS）、印度的GPS輔助型靜地軌道增強導航系統（GPS Aided GEO Augmented Navigation，GAGAN）、俄羅斯的差分改正監測系統（System of Differential Corrections and Monitoring ，SDCM）、中國的北斗星基增強系統（BeiDou Satellite Based Augmentation System，BDSBAS）和韓國的星基增強系統（Korean Augmentation Satellite System，KASS）。

早期建設的SBAS系統均是單頻單系統，僅增強1頻點，由于電離層異常問題，服務性能無法達到CAT-I的性能要求。當前，各大系統在提供單頻增強服務的同時，將重點發展雙頻服務。我國的北斗全球衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）于2020年7月31日正式建成，作為BDS的重要組成部分，BDSBAS系統將按照國際民航組織標準要求，向中國及周邊區域用戶提供分別滿足APV-I和CAT-I指標要求的單頻和雙頻多星座服務。

本文以SBAS系統作為研究對象，設計了一套完整的用戶端單雙頻增強定位算法處理策略，自編程序實現了SBAS用戶端增強定位解算，利用采集的數據對算法正確性進行了驗證。

1 SBAS用戶端定位算法實現方案

1.1 單雙頻SBAS定位算法數據流圖

SBAS用戶端定位算法主要用于實現用戶接收到觀測數據、廣播星歷和增強星歷后所進行的定位解算工作。用戶接收機讀取廣播星歷參數，解算出衛星位置和鐘差，利用衛星位置、偽距和各類改正數解算出用戶的當前位置。分為單頻、雙頻兩套定位算法，可適用于不同的接收機，同時支持使用SBAS增強星歷的定位解算和非增強用戶的定位解算。增強算法可支持非精密進近（Non-Precision Approach，NPA）和精密進近（Precision Approach，PA）等不同進近方式，解算結果為用戶當前位置、接收機鐘差和定位保護級等。

單頻和雙頻用戶端定位算法的數據流程圖如圖1～圖2所示，兩者的數據流類似，數據源均為廣播星歷文件、觀測數據文件、增強星歷文件和控制參數。存儲數據包括觀測偽距值、星歷參數、各類增強參數、定位結果和保護級。其中定位結果和保護級數據可用于支撐導航系統的服務性能評估。

圖1 單頻SBAS定位算法數據流圖

圖2 SBAS雙頻定位算法數據流圖

1.2 單雙頻SBAS定位算法處理流程

圖3和圖4分別給出了單頻用戶端定位算法和雙頻用戶端定位算法的處理流程。兩套算法中的部分單元設計相同，僅在電離層誤差的消除、快速改正數的應用和UDRE/DFRE參數的應用上有所區別。對于非增強用戶，應用RAIM算法進行完好性監測。

1.3 SBAS定位解計算模型

線性化的GNSS測量方程如式（1）所示：

用戶位置誤差和時鐘偏移的加權最小二乘估計（Weighted Least Squares，WLS）如式（3）所示：

式中，是差分改正殘差的協方差；是應用無電離層雙頻L1/L5組合后的電離層殘差的協方差；是對流層延遲改正殘差的協方差；是機載設備誤差的協方差，各誤差項的協方差計算方法參考RTCA-DO229E標準[5]。

圖4 雙頻SBAS用戶端定位算法流程

2 SBAS用戶端定位結果驗證

為了驗證上述算法的正確性，我們在某航空產業園進行了飛行測試，數據采樣間隔為0.05 s，采集時長約1.5 h；同時在航空產業園內架設基準站，對天線位置進行PPP精密單點定位標定（標定時長大于6 h），使用機上設備記錄的觀測量數據進行RTK后處理得到飛行平臺的精確位置，將此精確位置作為基準，對SBAS單雙頻定位算法解算的結果進行驗證。

SBAS定位中使用PRN為130號衛星播發的增強電文數據，衛星高度截止角設置為10°。單雙頻SBAS定位結果誤差如圖5～圖6所示。

圖5 單頻SBAS定位結果誤差

從圖5～圖6可看出，SBAS單雙頻定位結果與RTK后處理結果符合較好，驗證了文中算法的正確性。

圖6 雙頻SBAS 定位結果誤差

3 結束語

本文主要給出了SBAS用戶端定位算法的實現方案和計算模型，并通過采集數據對算法的正確性進行了驗證。

[1] 佚名. 北斗衛星導航系統簡介[J]. 電波科學學報，2010， 25（5）：1025.

[2] 中國衛星導航系統管理辦公室. 北斗衛星導航系統公開服務性能規范[S]. 2018．

[3] 孟鑫，曹月玲，樓立志，等. 基于RTCA標準的WAAS和EGNOS廣播星歷差分完好性服務性能研究[J]. 全球定位系統，2017，42（5）：1-8.

[4] 喻思琪，張小紅，郭斐，等. 衛星導航進近技術進展[J]. 航空學報，2019，40（3）：022200.

[5] RTCA-DO229E. Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment[S]. RTCA Inc. SC-159，2006.

Design on Satellite Based Augmentation System Client Positioning Algorithm

WEI Jiancheng, ZHANG Rui, LEI Zhezhe, HAN Xiao

Satellite Based Augmentation System (SBAS) plays an important role in GNSS which can meet the needs of users with high precision membrane brightness by providing broadcast Ephemeris differential correction and integrity enhancement information. A complete set of SBAS single and dual frequency client positioning algorithm processing strategy is designed in the paper. According to the self-programmed program, the accuracy of single and dual frequency single-point positioning and enhanced positioning is verified.

GNSS; Client; Satellite Based Augmentation System (SBAS)

TN967

A

1674-7976-(2021)-03-163-05

2021-02-23。韋建成（1992.12-），寧夏吳忠人，碩士研究生，主要研究方向為高精度衛星導航定位算法。