北斗星基增強系統雙頻多星座服務覆蓋范圍評估

張 鍵, 邵 搏, 田 宇, 王 偉, 原 彬,李平力

(1.中國電子科技集團公司第二十研究所,西安 710068;2. 陜西省組合與智能導航重點實驗室,西安 710068)

0 引言

全球衛星導航系統(global navigation satellite system, GNSS)因具有全球覆蓋、高精度、全天候的特點,已作為主要導航手段進入了快速發展和應用階段。為提升GNSS系統在航空等高生命安全領域應用的完好性保障能力,采用差分完好性增強技術體制的星基增強系統應運而生[1]。

當前,國際上正式運行的SBAS主要包括美國的廣域增強系統(wide area augmentation system, WA-AS)[2-3]、歐盟的歐洲地球同步導航重疊系統(Europe-an geostationary navigation overlay system, EGN-OS)[4]、日本的多功能星基增強系統(MTSAT sate-llite-based augmentation system, MSAS)[5]和印度的GPS輔助地球同步軌道增強系統(GPS aided GEO augmentation navigation, GAGAN)[6];在建/試運行的SBAS包括俄羅斯的差分改正與監測系統(system of differential correction and monitoring, SDCM)[7]、韓國的星基增強系統(Korea SBAS, KASS)[8]、非洲及印度洋星基增強系統(SBAS for Africa and Indian ocean, A-SBAS)[9]、澳大利亞/新西蘭南部定位增強網(southern positioning augmentation network, Sou-thPAN)[10]和我國的北斗星基增強系統[11-12]。

SBAS單頻增強服務受電離層格網分布與精度影響,其服務等級與覆蓋區域受限,因此自2015年起國際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)下設的星基增強互操作工作組(Interoperation Work Group, IWG)啟動了雙頻多星座SBAS標準與建議措施(standards and recommended practices, SARPs)的聯合研究與制定工作,利用雙頻偽距測量值消除電離層誤差以進一步提升精度與完好性,并擴大SBAS服務覆蓋范圍。至今,DFMC SBAS SARPs標準已制定完畢,北斗衛星導航系統作為四大核心星座之一已寫入其中,標準預計于2023年11月正式發布。DFMC服務的建設成為全球各個SBAS下一階段發展的主要方向之一[13]。

BDSBAS作為BDS七大服務之一,于2020年7月31日隨BDS的正式開通進入了試運行階段。BDSBAS通過BDS GEO衛星的BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a頻點播發單頻(single frequency, SF)增強服務和雙頻多星座增強(DFMC)服務的測試信號,并逐步開展民航測試認證工作,服務區域的確定是BDSBAS為民航用戶提供正式服務的前提,也是“北斗走出去”與“一帶一路”發展戰略實施的有效支撐[14]。當前,全球范圍內僅美國的WAAS和歐盟的EGNOS在其官方服務性能報告中給出了單頻增強服務不同服務等級的服務覆蓋區域,其他SBAS均未在公開文件中嚴格定義各自的服務區域,BDSBAS也僅說明能夠對中國及周邊提供服務覆蓋[15-17]。

BDSBAS是目前全球范圍內唯一播發DFMC增強測試電文的星基增強系統,DFMC增強服務經過多年的優化升級,服務性能已經趨于穩定。本文將對SBAS DFMC可用性概念和保護級計算進行詳述,并在此基礎上利用實測BDSBAS DFMC增強電文對當前階段BDSBAS的DFMC增強服務覆蓋范圍進行初步評估。

1 DFMC服務可用性

1.1 服務可用性定義

SBAS服務可用性定義為:在精度、完好性、連續性滿足指標要求的基礎上,系統可以向用戶提供增強服務的時間百分比。從用戶角度來看,當計算得到的水平保護級(horizontal protection level, HPL)和垂直保護級(vertical protection level, VPL)同時小于服務等級指標要求的水平告警門限(horizontal alert level, VAL)和垂直告警門限(vertical alert level, HAL)時,表示“服務可用”,否則“服務不可用”。服務可用性示意圖如圖1所示[18]。

ICAO在國際民用航空公約附件10第I卷中給出了GNSS應用于民用航空的性能要求,其中APV-I/LPV和LVP-200服務等級要求如表1所示[19]。

圖1 服務可用性示意圖Fig.1 Service availability diagram

表1 AP V-I和LPV-200服務等級要求

1.2 DFMC保護級計算

由于最新的DFMC SBAS SARPs標準未正式發布,當前BDSBAS DFMC增強電文編排和相關計算依據文件為SBAS L5 DFMC interface control document(SBAS L5 DFMC ICD)[20]。對被增強衛星進行軌道/鐘差誤差修正后,使用加權最小二乘進行導航定位解算。觀測方程幾何矩陣的第i行如下

Gi=[-cosEi·sinAi,-cosEi·
cosAi,-sinEi,1,ni]

(1)

其中,Ei和Ai是衛星i的高度角和方位角(從正北方向順時針為正),如果衛星i屬于星座C1,則ni=0;如果衛星i屬于星座C2,則ni=1。

對于N顆導航衛星,權重矩陣W如下

(2)

(3)

由幾何矩陣G和權重矩陣W計算得到投影矩陣S如下

(4)

可得

(5)

(6)

得到dmajor和dU后,水平保護級和垂直保護級計算公式如下

LHPL=KH·dmajor

(7)

LVPL=KV·dU

(8)

其中

(9)

KV=5.33

(10)

2 服務覆蓋范圍評估

2.1 數據來源及解算設置

本文BDSBAS DFMC服務覆蓋范圍評估采用的數據為2022年11月12日至11月15于西安連續四天采集的BDSBAS B2a增強電文。電文采集接收機設備型號為Septentrio PolaRx5,天線型號為NovAtel750。保護級計算間隔30s;空間分辨率為1°×1°;計算區域為東經60°至東經150°,北緯0°至北緯65°;衛星截止高度角5°。每天對計算結果評估一次。

2.2 APV-I服務

圖2和圖3分別給出了BDSBAS DFMC增強服務在APV-I等級下單系統(BDS)增強和雙系統(BDS+GPS)增強連續四天的可用性覆蓋范圍變化;表2給出了95%,98%,99%和99.9%可用性條件下區域覆蓋率。

(a) 2022年11月12日

(b) 2022年11月13日

(c) 2022年11月14日

(d) 2022年11月15日

(b) 2022年11月13日

(c) 2022年11月14日

(d) 2022年11月15日

表2 BDSBAS DFMC增強服務APV-I覆蓋率

從圖2和表2可以看到,BDSBAS DFMC增強服務在APV-I等級條件下可用性區域覆蓋情況基本保持穩定。在單系統(BDS)增強條件下99%可用性的區域覆蓋范圍達到80%左右,不僅將中國全部覆蓋,并能夠對中國周邊的東北亞、南亞、中亞等國家或地區實現全部或部分覆蓋,服務區域遠大于本國國土、海洋面積需求,充分體現了BDSBAS DFMC增強服務在亞洲較強的競爭能力。

BDSBAS DFMC增強服務不僅實現了對北斗三號系統的B1C/B2a頻點的增強,也實現了對GPS L1/L5頻點的增強。但由于當前GPS系統中播發L1/L5頻點的衛星數較少,因此本文未對單GPS增強情況進行分析。從圖3和表2可以看到,即使GPS L1/L5衛星較少,但在使用BDS+GPS雙系統增強的情況下,APV-I的可用性覆蓋率相較于單BDS系統增強情況下出現了明顯的提升,99%可用性覆蓋率達到約96%,99.9%可用性覆蓋率達到約63%。從圖3可以看到,在雙系統增強后,BDSBAS DFMC增強服務在預設的評估區域的東南西北依然具有較大的服務覆蓋區域,受運算量及文章篇幅限制,暫未對其進行進一步評估。

2.3 LPV-200服務

圖4和圖5分別給出了BDSBAS DFMC增強服務在LPV-200等級下單系統(BDS)增強和雙系統(BDS+GPS)增強連續四天的可用性覆蓋范圍變化;表3給出了95%、98%、99%和99.9%可用性條件下區域覆蓋率。

從圖4、圖5和表3可以看到, BDSBAS DFMC增強服務在LPV-200服務等級下的覆蓋率較APV-I服務等級下的覆蓋率有了明顯下降。在單系統(BDS)增強條件下99%可用性的區域覆蓋范圍達到50%左右,但依然能夠對中國基本實現全覆蓋。在雙系統(BDS+BDS)增強條件下,LPV-200可用性覆蓋率相較于單系統(BDS)同樣有了明顯提升,99%可用性覆蓋率達到約85%,99.9%可用性覆蓋率達到約35%。BDSBAS DFMC增強服務LPV-200等級下依然實現了對中國及周邊大范圍地區的覆蓋。

(a) 2022年11月12日

(b) 2022年11月13日

(c) 2022年11月14日

(d) 2022年11月15日

(a) 2022年11月12日

(c) 2022年11月14日

(d) 2022年11月15日

表3 BDSBAS DFMC增強服務LPV-200覆蓋率

3 結論

通過研究,得到如下結論:

1)BDSBAS DFMC增強服務APV-I等級和LPV-200等級均實現了對中國及周邊廣大區域的覆蓋,與當前官方表述一致,更大區域的服務覆蓋,能夠使BDSBAS在競爭日益激烈的星基增強服務領域占據具有較大的優勢。

2)盡管當前能夠播發L5信號的在役GPS衛星較少,但BDS+GPS的雙系統增強服務依然較BDS的單系統增強服務,在服務范圍上提升明顯,在指定的區域范圍內(東經60°至東經150°,北緯0°至北緯65°)雙系統增強服務的APV-I和LPV-200等級99%可用性覆蓋率比單系統增強服務的覆蓋率分別提升16%和32%。

BDSBAS已經進入試運行階段,本文的相關結果對BDSBAS的后續民航測試認證,DFMC服務建設、能力提升具有一定的參考意義。