不同尺度范圍的監(jiān)測網(wǎng)對星基增強(qiáng)服務(wù)性能的影響分析

張永興, 王 樂, 謝 威, 王紫薇, 田耀召, 李孟園

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院, 西安 710054;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所, 石家莊 050081)

0 引言

星基增強(qiáng)系統(tǒng)(satellite-based augmentation system,SBAS)作為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)的一種輔助,可有效提升GNSS的定位精度和可靠性等,具備高精度、高效率、較低成本以及廣域覆蓋等優(yōu)點(diǎn),能為民用航空、航運(yùn)等特殊領(lǐng)域提供更低成本、更高可用性的導(dǎo)航功能,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益[1]。SBAS由地面控制站、空間星座、運(yùn)行維護(hù)站和用戶等4個部分組成,地面控制站指分布在一定區(qū)域范圍的地面監(jiān)測站,空間星座部分包括地球靜止軌道(geostationary Earth orbit,GEO)衛(wèi)星和增強(qiáng)衛(wèi)星。利用地面控制站解算增強(qiáng)衛(wèi)星的軌道誤差、鐘差誤差、電離層延遲等多種修正信息和完好性信息,然后注入到GEO衛(wèi)星,通過GEO衛(wèi)星播發(fā)給地面用戶,用戶同時接收GNSS和SBAS改正數(shù)信息,提高定位精度并判斷導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。

一些國家或地區(qū)建立了各自的星基增強(qiáng)系統(tǒng),如美國的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(wide area augmentation system,WAAS)[2]、歐盟地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)系統(tǒng)(European geostationary navigation overlay service,EGNOS)[3]、日本的多功能衛(wèi)星星基增強(qiáng)系統(tǒng)(multi-functional sat-ellite augmentation system, MSAS)[4]、印度的GPS輔助型靜地軌道增強(qiáng)系統(tǒng)(GPS-aided GEO augmented navigation, GAGAN)[5]和我國的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)(BeiDou satellite-based augmentation system, BDSBAS)。國內(nèi)外學(xué)者對星基增強(qiáng)系統(tǒng)處理算法及評估體系展開了大量研究。曹月玲等人介紹了監(jiān)測BDS-3完整性的方法,在BDS-3衛(wèi)星在軌測試階段,利用星載自主監(jiān)測系統(tǒng)和地面控制部分的實際數(shù)據(jù)分析了初始完整性性能[6]。陳俊平等人介紹了BDSBAS及廣域差分改正數(shù)算法,采用10個測站6天的相位平滑偽距和相位觀測數(shù)據(jù),初步評估了BDSBAS性能提升后的用戶定位性能[7]。王岳辰等人基于BDSBAS實測信號,開展了接收機(jī)的性能測試,評估了接收機(jī)在不同定位服務(wù)模式下的精度、完好性、連續(xù)性和可用性情況[8]。陳谷倉等人仿真計算了BDSBAS不同航空完好性服務(wù)等級對北斗系統(tǒng)等效偽距測量誤差、衛(wèi)星故障概率、虛警概率等方面性能的要求[9]。PU.J等人從數(shù)據(jù)完整率、載噪比和多路徑誤差三個角度對北斗全球系統(tǒng)GEO-1衛(wèi)星在頻點(diǎn)BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a上的信號質(zhì)量進(jìn)行評估,并分別與GPS衛(wèi)星在L1CA和L5頻點(diǎn)上完成對比分析[10]。邵搏圍繞衡量指標(biāo)、查找方法和監(jiān)測站數(shù)量3個方面的內(nèi)容,開展監(jiān)測站布局策略的研究,給出了一種中國及周邊區(qū)域的24個監(jiān)測站的布局,并從監(jiān)測站覆蓋深度、用戶定位精度、用戶保護(hù)級和系統(tǒng)可用性幾方面對該監(jiān)測站布局的性能進(jìn)行了分析[11]。然而,當(dāng)前的研究均是基于單一尺度的監(jiān)測站估計改正數(shù),對于不同尺度鮮有涉及。研究不同尺度范圍的監(jiān)測站在衛(wèi)星、用戶服務(wù)性能等方面存在的差異,可以為區(qū)域增強(qiáng)和全球增強(qiáng)的監(jiān)測站布局提供一定的理論依據(jù)。

1 軌道/鐘差改正數(shù)解算和性能評估算法

1.1 軌道/鐘差改正數(shù)解算模型

(1)

對雙頻偽距觀測值采用無電離層組合的方式削弱一階電離層延遲的影響。采用模型修改對流層延遲誤差。衛(wèi)星軌道和鐘差均采用廣播星歷進(jìn)行計算,由于廣播星歷是通過預(yù)報獲得的,其精度較差。經(jīng)過誤差改正后,偽距殘差中包含接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星軌道和鐘差誤差以及其他殘余誤差,可以表示為

(2)

1.1.1 站間時鐘同步

通過基準(zhǔn)站時鐘偏差估計、站間時鐘偏差解算和偽距殘差同步來實現(xiàn)站間時鐘同步,可以消除式(2)中接收機(jī)鐘差的影響,因此,認(rèn)為式(2)中只包含衛(wèi)星軌道和鐘差誤差。基于此可以解算出軌道和鐘差誤差。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中,Nm為基準(zhǔn)站與其余測站共視衛(wèi)星數(shù)量。

同步后的偽距殘差可以表示為

(9)

1.1.2 等效鐘差模型

經(jīng)過時鐘同步后的偽距殘差僅含軌道誤差和鐘差誤差。距離測量中的衛(wèi)星鐘差誤差與方向無關(guān),而衛(wèi)星軌道誤差對不同用戶視線方向投影的影響主要為衛(wèi)星軌道徑向方向。超過95%的軌道徑向誤差會被鐘差參數(shù)吸收。因此軌道誤差對用戶定位的影響主要是由于不同視向上觀測改正的差值。軌道徑向誤差在不同天底角引起的測距誤差占軌道徑向誤差的比例為1.2%～3.1%,軌道徑向誤差在不同方向造成的測距誤差在厘米量級,其影響可忽略[12]。

把包含了衛(wèi)星軌道的徑向誤差的改正以及衛(wèi)星鐘差誤差的改正稱為等效鐘差,等效鐘差模型忽略了軌道在垂直于徑向方向的影響。以pcorj播發(fā),可以表示為

pcorj=δorb_j+δsatclk_j

(10)

式中,pcorj為衛(wèi)星j的等效鐘差;δorb_j為衛(wèi)星j的軌道徑向投影誤差;δsatclk_j為衛(wèi)星j的鐘差誤差。基于式(9)和(10),偽距殘差觀測方程進(jìn)一步表示為

(11)

根據(jù)式(11)求解衛(wèi)星j的等效鐘差,假設(shè)衛(wèi)星j共視監(jiān)測站個數(shù)為M個,則理論上M≥1時,便可求解等效鐘差。采用最小二乘法設(shè)計矩陣如下

(12)

則衛(wèi)星j的等效鐘差估計值可以表示為

(13)

偽距殘差扣除等效鐘差改正數(shù)后,使用卡爾曼濾波進(jìn)一步計算衛(wèi)星軌道改正數(shù)。

1.2 性能評估模型

1.2.1 URE

用戶測距誤差(user range error,URE)是衛(wèi)星軌道誤差與鐘差誤差在用戶到衛(wèi)星視線的投影,其反映了衛(wèi)星的系統(tǒng)性能以及空間段與控制段對精度的影響[13]。為了進(jìn)一步反映軌道/鐘差改正數(shù)的不確定度,將衛(wèi)星軌道和鐘差誤差在用戶測距誤差方向進(jìn)行投影,即可獲得URE。將基于單星多監(jiān)測站的測距殘差按各監(jiān)測站求取均方根誤差(root mean square,RMS)值,并取均值作為該星的URE評估值。測距殘差采用偽距觀測方程與接收機(jī)原始觀測量進(jìn)行計算,表示為

(14)

式中,Rj表示衛(wèi)星j軌道改正數(shù)。

1.2.2 定位精度

定位精度表示用戶定位解算得到的定位坐標(biāo)與真實值之間的精確程度。進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位和增強(qiáng)定位實驗時,將定位誤差轉(zhuǎn)換成E,N和U方向的定位精度,得到水平精度和垂直精度[14]。

1.2.3 保護(hù)級水平

通過SBAS解算得到的完好性信息(如UDRE)來計算保護(hù)級[15](protection level, PL),包括水平保護(hù)級(horizontal PL, HPL)和垂直保護(hù)級(vertical PL, VPL)。具體計算過程如下

非精密進(jìn)近下的水平保護(hù)水平為

HPLNPA=KH,NPA×dmajor

(15)

精密進(jìn)近下的水平保護(hù)水平為

HPLPA=KH,PA×dmajor

(16)

精密進(jìn)近下的垂直保護(hù)水平為

VPL=KV,PA×dU

(17)

如果當(dāng)前時刻用戶定位誤差大于保護(hù)級,則發(fā)生完好性風(fēng)險事件。當(dāng)用戶定位誤差小于保護(hù)級,保護(hù)級小于相應(yīng)航段所制訂的水平/垂直告警門限(horizontal alert limit, HAL/vertical alert limit, VAL),則系統(tǒng)可用,不發(fā)生漏警情況。

1.3 數(shù)據(jù)處理流程圖

完好性數(shù)據(jù)處理解算流程如圖1所示。首先,對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。通過偽距粗差和周跳探測剔除異常的偽距觀測值和載波觀測值,然后進(jìn)行雙頻載波平滑偽距,削弱多路徑誤差和觀測噪聲帶來的影響,并進(jìn)行一系列誤差改正,包括衛(wèi)星軌道/鐘差誤差、相對論效應(yīng)、時間群延遲、差分碼偏差、對流層延遲改正等。然后進(jìn)行偽距殘差解算處理。將衛(wèi)星軌道/鐘差誤差、對流層延遲估計偏差等公共誤差從原始偽距觀測值扣除后,可得到偽距殘差,利用卡方檢驗對偽距殘差進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,對質(zhì)量控制后的偽距殘差作時鐘同步處理,將不同監(jiān)測站的接收機(jī)時鐘統(tǒng)一到同一個時間基準(zhǔn)上,消除其對解算衛(wèi)星星歷改正數(shù)的影響。將站間時鐘同步后的偽距殘差與單位方向矢量等結(jié)果參數(shù)作為輸入量,進(jìn)行衛(wèi)星軌道/鐘差改正數(shù)以及完好性參數(shù)的解算。最后由用戶端對解算得到的增強(qiáng)信息進(jìn)行服務(wù)性能評估。

圖1完好性數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.1 Flow chart of integrity data processing

2 實驗處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)與策略

選擇歐洲區(qū)域的MGEX測站進(jìn)行實驗,綜合考慮MGEX的測站分布以及測站能接收到的信號進(jìn)行測站選取。不同尺度是指不同測站組成的監(jiān)測網(wǎng)的地理覆蓋范圍不同。小、中等和大尺度區(qū)域的面積為十萬、百萬和千萬平方千米級;面積分別約為50、300和1 800萬平方千米。每個區(qū)域均選擇17個MGEX測站,其分布在圖2中分別用紅色、綠色和藍(lán)色表示。選用2021年第101天的GPS觀測數(shù)據(jù)估計其廣播星歷的衛(wèi)星星歷和星鐘改正數(shù)。觀測數(shù)據(jù)頻率為GPS L1、L2,數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s,截止高度角為10°,地球自轉(zhuǎn)、相對論效應(yīng)等誤差采用模型改正。對流層模型采用UNB3進(jìn)行改正,電離層延遲采用雙頻無電離層改正。測站坐標(biāo)固定到IGS周解。

圖2 不同尺度的區(qū)域監(jiān)測站分布圖Fig.2 Distribution map of regional stations in different scales

2.2 增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)目分析

增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)目是指每個歷元可以被區(qū)域監(jiān)測站觀測到并估計出改正數(shù)的衛(wèi)星。基于三個不同尺度的區(qū)域監(jiān)測站進(jìn)行星基增強(qiáng)改正數(shù)估計,不同尺度在每個歷元的增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)目見圖3。

圖3 增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)目時間序列圖Fig.3 Time series map of augmented satellite number

由圖3可以看出,小尺度區(qū)域、中等尺度區(qū)域、大尺度區(qū)域的增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)目分別在6～13、7～14和10～17之間。三個區(qū)域的平均增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)目分別是8.87、10.00和13.37。與小尺度區(qū)域和中等尺度區(qū)域相比,大尺度區(qū)域分別增加了50.7%、33.7%。由于大尺度區(qū)域的范圍較大,觀測到的衛(wèi)星數(shù)目比小尺度區(qū)域和中等尺度區(qū)域多,進(jìn)而估計的增強(qiáng)衛(wèi)星改正數(shù)也較多,這也有利于增加該區(qū)域觀測數(shù)據(jù)的冗余性。

2.3 軌道鐘差改正數(shù)分析

利用等效鐘差模型計算衛(wèi)星的軌道鐘差改正數(shù)原則如下:當(dāng)衛(wèi)星出入境時,觀測到該衛(wèi)星的地面監(jiān)測站少于10個時,僅解算衛(wèi)星鐘差改正數(shù);當(dāng)觀測到該衛(wèi)星的地面監(jiān)測站大于等于10個時,先解算該衛(wèi)星的鐘差改正數(shù),再解算軌道改正數(shù)。該策略可避免用戶定位過程中增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量不夠或異常軌道改正數(shù)引起的定位性能下降的問題。利用三種尺度監(jiān)測網(wǎng)解算得到的G05衛(wèi)星軌道鐘差改正數(shù)時間序列圖見圖4。

圖4 G05衛(wèi)星星歷/星鐘改正數(shù)時間序列圖Fig.4 Time series of ephemeris/clock correction of satellite G05

由圖4可以看出:基于大尺度區(qū)域估計的衛(wèi)星軌道/鐘差改正數(shù)的有效歷元個數(shù)多于小尺度和中等尺度區(qū)域。這是因為大尺度區(qū)域的覆蓋面積更大,衛(wèi)星的觀測弧段更長;此外,衛(wèi)星的軌道/鐘差改正數(shù)變化與地面監(jiān)測站觀測的幾何構(gòu)型存在明顯關(guān)聯(lián),衛(wèi)星軌道和鐘差改正數(shù)在衛(wèi)星出入境浮動都較大,衛(wèi)星出入境以后數(shù)值變化都逐漸穩(wěn)定。由于大區(qū)域尺度的監(jiān)測網(wǎng)增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)目多于小區(qū)域和中等區(qū)域尺度的監(jiān)測網(wǎng),當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入?yún)^(qū)域監(jiān)測站時,衛(wèi)星軌道/鐘差改正數(shù)的變化平穩(wěn);隨著可觀測監(jiān)測站變多,幾何構(gòu)型改善,卡爾曼濾波器的狀態(tài)逐漸穩(wěn)定,利用大區(qū)域尺度的監(jiān)測網(wǎng)估計得到的衛(wèi)星改正數(shù)比較穩(wěn)定,收斂速度較快。

2.4 URE評估

對年積日101天GPS雙頻各衛(wèi)星的URE值進(jìn)行統(tǒng)計分析,其結(jié)果如圖5所示。小尺度區(qū)域、中等尺度區(qū)域、大尺度區(qū)域分別有10,8和5顆衛(wèi)星的URE大于0.3 m,其余衛(wèi)星的URE均優(yōu)于0.3 m。中等尺度和大尺度區(qū)域部分衛(wèi)星URE較差,主要是因為中等尺度和大尺度區(qū)域所覆蓋的面積較大,不同測站之間的大氣誤差差異較大,其無法被接收機(jī)鐘差全部吸收,這一部分誤差被URE吸收,導(dǎo)致URE較差。由于小尺度區(qū)域較小,不同測站的大氣誤差的差異較小,大部分的大氣誤差被接收鐘差吸收,衛(wèi)星URE較差主要是由增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)目較少和衛(wèi)星改正數(shù)估計的收斂速度較慢導(dǎo)致的。

圖5 衛(wèi)星URE精度統(tǒng)計直方圖Fig.5 Histogram of satellite URE accuracy statistics

此外,分別統(tǒng)計了3個區(qū)域各衛(wèi)星的URE值的均值、標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。由于大尺度區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)衛(wèi)星對測站的幾何構(gòu)型較強(qiáng),其URE較小,說明軌道/鐘差改正數(shù)增強(qiáng)效果穩(wěn)定,增強(qiáng)修正過程消除了部分軌道誤差、鐘差誤差的影響。

表1 衛(wèi)星URE統(tǒng)計表

2.5 定位精度評估

利用3個不同尺度的區(qū)域監(jiān)測站分別計算得到的衛(wèi)星軌道/鐘差改正數(shù),對廣播星歷進(jìn)行修正,然后進(jìn)行定位實驗。實驗設(shè)計了兩種方案,方案一:基于廣播星歷的標(biāo)準(zhǔn)偽距單點(diǎn)定位;方案二:使用估計的改正數(shù)對廣播星歷進(jìn)行修正,然后進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位。選擇了16個未用于衛(wèi)星星歷星鐘改正數(shù)估計的MGEX測站用于定位實驗,其分布如圖6所示。進(jìn)行單點(diǎn)定位實驗時,觀測數(shù)據(jù)采用L1、L2頻點(diǎn),測站坐標(biāo)采用IGS周解作為參考值。

圖6 用于定位驗證的監(jiān)測站分布圖Fig.6 Distribution map of stations used for positioning verification

圖7和圖8分別為WTZS和WTZZ測站在2021年,年積日101天的定位效果時間序列圖,黑色和紅色分別代表標(biāo)準(zhǔn)偽距單點(diǎn)定位和增強(qiáng)后的偽距定位誤差,圖中縱坐標(biāo)分別代表東、北和天向定位誤差。

由圖7和圖8可以看出,使用標(biāo)準(zhǔn)偽距單點(diǎn)定位方法時,其誤差在一些歷元相對較差,這是由GPS廣播星歷每兩小時更新一次引起的,衛(wèi)星軌道、鐘差在更新前后出現(xiàn)階變,無法平滑銜接。使用改正數(shù)信息對廣播星歷進(jìn)行增強(qiáng)后,定位6誤差序列波動變小且更平滑。WTZS測站增強(qiáng)定位序列在東、北和天方向上的定位誤差分別在-0.5～0.5 m,-0.5～0.5 m,-1.0～1.0 m,少部分歷元的定位誤差略差。WTZZ測站利用小區(qū)域和中等區(qū)域尺度監(jiān)測網(wǎng)解算的改正數(shù)進(jìn)行增強(qiáng)定位的時間序列在東、北、天方向上的定位誤差分別在-0.5～1.0 m,-1.5～1.0 m,-2.0～2.0 m, 而利用大區(qū)域尺度監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行增強(qiáng)定位的時間序列在東、北、天方向上的定位誤差分別在-0.5～0.5 m,-1.0～1.0 m,1.0～1.0 m變化。基于大區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)估計的改正數(shù)計算定位時的誤差序列小于小尺度區(qū)域和中等尺度區(qū)域。

圖7 WTZS測站增強(qiáng)定位效果對比圖Fig.7 Comparison of augmented positioning effect of station WTZS

圖8 WTZZ測站增強(qiáng)定位效果對比圖Fig.8 Comparison of augmented positioning effect of station WTZZ

分別統(tǒng)計了WTZS和WTZZ測站定位精度的RMS如表2所示,可以看出,通過增強(qiáng)定位修正后的定位結(jié)果相比于基本導(dǎo)航定位結(jié)果有了明顯提升。整體以大尺度區(qū)域增強(qiáng)定位效果最好。

此外,對所有測站的定位誤差采用95%分位數(shù)的統(tǒng)計方式進(jìn)行了精度統(tǒng)計,3種方案下的16個測站在單天的標(biāo)準(zhǔn)偽距單點(diǎn)定位和增強(qiáng)后的偽距單點(diǎn)定位的水平和垂直定位精度如圖9和圖10所示。

表2 WTZZ、WTZS測站定位精度RMS統(tǒng)計表

由圖9和圖10可以看到,在標(biāo)準(zhǔn)偽距單點(diǎn)定位的水平方向中,除HUEG、SOFI和WTZZ測站外,其他測站均優(yōu)于1.5 m。增強(qiáng)定位的水平定位統(tǒng)計中,所有測站定位的水平方向均優(yōu)于1.5 m。此外,使用增強(qiáng)定位后,3種尺度下估計的改正數(shù)對每個測站的定位精度均有提升。就垂直方向而言,標(biāo)準(zhǔn)偽距單點(diǎn)定位,除SOFI和WROC測站外,其他測站均優(yōu)于2.5 m。增強(qiáng)定位的垂直定位統(tǒng)計中,所有測站定位的垂直方向均優(yōu)于2.5 m。此外,使用增強(qiáng)定位后,3種尺度下估計的改正數(shù)對每個測站的定位精度均有提升,且提升幅度要優(yōu)于水平方向。有效降低了雙頻定位誤差較大樣本點(diǎn)的頻率分布。

圖9 水平定位精度對比直方圖Fig.9 Histogram of horizontal positioning accuracy comparison

圖10 垂直定位精度對比直方圖Fig.10 Histogram of vertical positioning accuracy comparison

同時對用于定位精度驗證的16個測站,對其標(biāo)準(zhǔn)偽距單點(diǎn)定位/星基增強(qiáng)定位精度的95%分位數(shù)進(jìn)行了平均統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 測站平均定位精度統(tǒng)計表

從表3可以看出,分別使用標(biāo)準(zhǔn)偽距單點(diǎn)定位和增強(qiáng)后的偽距單點(diǎn)定位,小、中等和大尺度區(qū)域的水平精度分別由1.33 m提升至0.89 m、1.28 m提升至0.85 m、1.26 m提升至0.85 m,提升率分別為33.08%、33.59%、32.54%。垂直精度分別由2.27 m提升至1.44 m、2.24 m提升至1.32 m、2.28 m提升至1.28 m,提升率分別為36.56%、41.07%、43.86%。從提升效果來看,水平方向的提升幅度均在33%左右;垂直方向隨著測站區(qū)域的增大,定位精度提升幅度越大。這主要是因為監(jiān)測站尺度越大,觀測到的衛(wèi)星數(shù)目更多,對于平差時的多余觀測數(shù)更多,有利于平差數(shù)據(jù)處理。此外,衛(wèi)星軌道和鐘差主要影響定位的天向,因此使用基于改正數(shù)的增強(qiáng)定偽距單點(diǎn)定位時,天向的提升更明顯。

2.6 保護(hù)級包絡(luò)特性分析

年積日101天GPS雙頻IENG測站定位誤差/保護(hù)級時間序列圖見圖11,藍(lán)色、紫色、綠色和黃色序列分別代表水平保護(hù)級、垂直保護(hù)級、水平誤差和垂直誤差。第一、二、三列的圖分別為利用小、中等和大尺度區(qū)域監(jiān)測站解算的改正數(shù)進(jìn)行增強(qiáng)定位的定位誤差/保護(hù)級時間序列。水平/垂直告警門限為一類垂直引導(dǎo)進(jìn)近(APV-I)告警門限,其中HAL為40 m,VAL為50 m[11]。

圖11 IENG測站定位誤差/保護(hù)級時間序列圖Fig.11 Station IENG positioning error/protection level time series diagram

由圖11可以看出,測站的定位誤差和保護(hù)級均小于告警門限。水平/垂直保護(hù)級曲線均可對相應(yīng)的定位誤差進(jìn)行包絡(luò),表明在過程中未出現(xiàn)完好性事件,完好性風(fēng)險概率為0.0%。但個別測站出現(xiàn)少部分歷元樣本點(diǎn)的水平/垂直保護(hù)級水平未能對相應(yīng)的定位誤差進(jìn)行包絡(luò)。統(tǒng)計了16個測站保護(hù)級水平包絡(luò)相應(yīng)的定位誤差的百分比,如表4所示。就水平保護(hù)級而言,小、中等和大尺度區(qū)域全包絡(luò)的測站分別有10,12和12個。垂直保護(hù)級達(dá)到全包絡(luò)的測站分別有10,11和11個。

表4 測站保護(hù)級水平/垂直包絡(luò)百分比統(tǒng)計表

3 結(jié)論

對3個不同尺度范圍的區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)利用等效鐘差解算軌道/鐘差改正數(shù)及完好性信息,并通過定位對比實驗探究監(jiān)測站的布局對用戶服務(wù)性能的影響。實驗結(jié)果表明:

1)大尺度參考網(wǎng)的增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)目多于小、中等尺度的參考網(wǎng),平均增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)目也以大尺度參考網(wǎng)最多,與小、中等尺度的參考網(wǎng)相比,分別增加了50.7%,33.7%。大部分GPS衛(wèi)星的單天增強(qiáng)修正后的URE精度優(yōu)于0.3 m,大尺度區(qū)域估計的URE均優(yōu)于小區(qū)域和中等區(qū)域尺度。

2)增強(qiáng)定位后,小、中等和大尺度區(qū)域的水平精度分別由1.33 m提升至0.89 m,1.28 m提升至0.85 m,1.26 m提升至0.85 m,提升率分別為33.08%,33.59%,32.54%,垂直精度分別由2.27 m提升至1.44 m,2.24 m提升至1.32 m,2.28 m提升至1.28 m,提升率分別為36.56%,41.07%,43.86%。不同尺度監(jiān)測網(wǎng)對水平增強(qiáng)定位精度提升效果基本一致,大尺度監(jiān)測網(wǎng)對垂直增強(qiáng)定位精度提升效果最為明顯。

3)用于定位驗證的測站,其定位誤差和保護(hù)級均小于告警門限,大部分測站水平/垂直保護(hù)級曲線均可對相應(yīng)的定位誤差進(jìn)行包絡(luò),包絡(luò)比為100%,個別測站出現(xiàn)少部分歷元樣本點(diǎn)的水平/垂直保護(hù)級水平未能對相應(yīng)的定位誤差進(jìn)行包絡(luò),不同尺度的參考網(wǎng)保護(hù)級水平相差不大。

以上結(jié)論表明,大尺度區(qū)域在衛(wèi)星等效鐘差估計過程中監(jiān)測站數(shù)量充足,數(shù)據(jù)冗余加速改正數(shù)估計收斂,避免因缺少監(jiān)測站數(shù)據(jù)無法進(jìn)行解算而導(dǎo)致卡爾曼濾波器不斷地初始化,從用戶性能驗證來看,大尺度區(qū)域估計的衛(wèi)星改正數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。