星基增强系统(SBAS)用户端定位算法设计

星基增强系统作为GNSS的重要组成部分,通过提供广播星历差分改正与完好性增强信息,满足高精度高完好性用户使用需求。本文主要设计了一套完整的星基增强系统单双频用户端定位算法处理策略,根据自编程序,验证了算法的正确性。

国际星基增强系统发展现状及趋势

为推动GNSS在高生命安全领域的应用,出现了以星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)为代表的增强手段,全面提升了GNSS服务的精度、完好性、连续性和可用性.美国、日本等国家及欧洲均已启动了SBAS性能提升工作,从单频增强系统向双频增强系统进行过渡,以期进一步提升星基增强服务能力.本文对国际SBAS的组成、服务性能、进展情况和后续发展规划进行了总结,并重点介绍了我国北斗星基增强系统(BeiDou Satellite-Based Augmentation System,BDSBAS)的系统架构、服务能力、应用验证评估工作和国际化推进情况.随着国际民用航空组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)最新版国际民用航空公约附件10的生效,BDSBAS已成为国际认可的星基增强服务系统.后续,为了推动BDSBAS在高生命安全领域的应用,需要尽快完成民航应用验证评估工作,使得BDSBAS跻身正式服务行列.

星基增强系统码噪声和多路径误差处理方法研究

星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)利用伪距测量校正值实现对导航卫星的差分完好性增强,码噪声和多路径误差处理精度是影响系统服务性能和用户定位精度的重要因素.本文详细介绍了三种不同的原始伪距码噪声和多路径误差处理方法,包括单频平滑方法、码噪声和多路径改正方法(code noise and multipath correction,CNMC)以及广域增强系统(Wide Area Augmentation System,WAAS)使用的码噪声多路径方法(code noise multipath,CNMP),并通过正式运行的SBAS数据,验证了不同的码噪声和多路径误差方法对于用户定位精度的影响.结果表明:CNMP能够有效消除SBAS服务性能评估中的原始伪距码噪声和多路径误差影响,相较于CNMC方法,全球参考系统(wide-area reference station,WRS)站点95%水平定位精度提升0.2 m,95%垂直定位精度提升0.47 m.

星基增强系统单频服务性能评估方法

针对星基增强系统(SBAS)用户差分距离误差(UDRE)完好性参数评估时双频无电离层组合放大观测噪声的问题,提出伪距域完好性评估方法,该方法反映了SBAS电离层改正数和星历时钟改正数的综合影响。利用240天共100个国际全球导航卫星系统(GNSS)服务组织(IGS)测站的数据对美国广域增强系统(WAAS)和欧洲地球静止轨道导航重叠服务(EGNOS)的性能进行评估。结果表明:WAAS和EGNOS格网电离层垂直误差(GIVE)参数的完好性分别为99.96%和99.91%,电离层延迟改正精度达到0.56 m。WAAS和EGNOS伪距域完好性优于99.999%,经改正后的GPS用户测距误差(URE)精度达到0.34 m。WAAS 95%的水平和垂直定位误差为1.19 m和1.72 m,EGNOS的则为1.18 m和1.68 m。评估时段内均未发生完好性风险事件,验证了测地型接收机用于SBAS服务性能评估的可行性。WAAS在一类垂直引导进近(APV-I)阶段的定位精度平均可用性为99.9%,二类垂直引导进近(APV-II)阶段在服务中心区域的定位精度可用性为80%~95%;EGNOS APV-I阶段平均定位精度可用性为99.9%,APV-II阶段平均定位精度可用性为94.2%,可用性较高,主要是由于EGNOS评估测站多处于服务区中心。SBAS定位精度可用性在服务区边缘部分下降较明显。

北斗星基增强双频服务性能评估方法及飞行试验分析

北斗星基增强系统(BeiDou Satellite-Based Augmentation System,BDSBAS)通过B2a信号播发双频增强电文实现同时增强多个卫星星座,为用户提供更为精确、可靠的定位和导航服务.针对民航对BDSBAS在进近阶段定位性能的需求,本文研究了BDSBAS双频定位算法,并基于静态站数据和飞行实测数据从精度、完好性两个方面对BDSBAS双频服务性能进行评估.静态试验数据选取2024年1月17日北京、西安、嘉峪关BDSBAS站的全天数据,飞行实测数据采集于辽宁省沈阳市法库财湖通用航空机场进行的航空试验.静态评估结果表明:评估期间北京、西安和嘉峪关BDSBAS站的定位误差相对稳定,95%水平定位精度优于2 m,95%垂直定位精度优于3 m.水平方向上可用性优于99.998%,垂直方向上可用性优于99.984%.飞行试验结果表明:测试期间水平精度和垂直精度分别为1.8269 m和2.6014 m,且未发生完好性事件.静态和动态评估结果均满足国际民用航空组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)APV-I指标对精度和完好性的相关要求.文中研究结果对BDSBAS性能评估具有一定的参考意义.

SBAS电文认证技术综述

卫星导航欺骗信号是卫星导航系统服务的重要威胁之一,严重影响导航、定位、授时(positioning,navigating,timing,PNT)服务,如何提升导航系统服务的安全性,已成为卫星导航服务亟待解决的问题.卫星导航信号认证是卫星导航系统端提升民用信号防欺骗的新兴技术手段,也是目前各大卫星导航系统的重要发展方向和研究热点.星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)作为卫星导航系统的核心增强系统,目前正在国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)框架下推进SBAS电文认证标准,以期在未来提供SBAS电文认证服务.伴随着我国北斗星基增强系统(BeiDou Satellite-Based Augmentation System,BDSBAS)建设完成以及下一代北斗导航系统的设计与研制,BDSBAS需要考虑在ICAO下提供SBAS电文认证服务,为用户提供更加安全可信的PNT服务.本文首先阐述了SBAS电文认证概念,然后梳理了SBAS电文认证发展历程,进一步分析了SBAS电文认证技术面临的热点问题,以期为BDSBAS电文认证服务设计提供技术支撑.

北斗三代SBAS在抗干扰天线下的实现及验证

星基增强系统(SBAS)是北斗三代卫星导航系统的重要组成部分。首先介绍了北斗SBAS的基本情况,接着介绍了北斗SBAS的终端定位的实现及相关算法。最后对终端设备使用抗干扰天线在无干扰和有干扰状态下进行测试,结果表明北斗SBAS的精度均优于单点定位精度。

北斗星基和地基增强系统在宜涪高铁中的应用

针对山区铁路定位难题,基于宜昌至涪陵高铁项目,探讨北斗卫星导航系统中地基增强和星基增强技术的应用效果。首先,介绍山区铁路定位困难的原因,分析卫星定位在铁路安全运行和线路管理中的重要性;然后,详细描述基于地基增强系统和星基增强系统的空间定位精度测试方法。测试结果显示,基于北斗地基增强定位系统精度表现优异,内符合中误差<1 cm,外符合中误差≤2 cm;而基于北斗星基增强系统定位平均收敛时间在3 min以内,内符合中误差≤2 cm,外符合中误差<3 cm。研究结果表明,宜涪高铁星/地基增强联合定位能够满足铁路勘测的要求,在山区铁路的实际应用中具有广阔的发展前景。

GNSS海洋浮标星基增强定位方法及精化研究

GNSS海洋浮标在海洋学研究中具有重要作用,其高精度的、可靠的位置信息是重要研究对象。利用全球卫星导航系统(GNSS)星基增强服务获取海洋观测环境下浮标的位置信息,以参数估计的均方误差作为内符合精度,以高精度软件IE(Inertial Explorer)解算结果作参考求定外符合精度,以此来评估一种星基增强服务Hi-RTP在GNSS海洋浮标上定位的精度和可靠性。基于海洋波浪的周期运动规律引入多项式拟合优化GNSS的高程解算值。实验结果表明,Hi-RTP服务在海洋浮标上的定位具有8 cm的内符合精度和1.9 m的外符合精度,相比标准单点定位有一定优势。另外,低阶多项式的拟合优化法有效弥补了观测缺失的情况,改善了高程的定位精度。该方法可为海上定位应用提供理论参考。

基于“北斗+”的千寻星基增强技术在甘肃省级基础测绘中的应用分析

由于GSCORS(甘肃卫星连续运行参考站系统)在没有移动通信讯号的地方无法使用,本文在介绍千寻星基增强技术的基础上,验证了该技术在荒漠戈壁、无人区等无移动信号区域的实际测量精度。实践表明,千寻星基增强测量技术能够满足省级基础测绘1∶10000地形图外业测量要求,具备和千寻CORS、GSCORS一致的测量精度。该技术具备广域、快速、高精度的优点,可较大程度提高用户的作业效率,具有显著的经济效益和推广价值。

SBAS星历星钟增强技术研究

随着全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的发展,GNSS逐渐被应用于航空导航服务。为了满足航空导航性能要求,世界各国致力于GNSS增强系统尤其是星基增强系统(satellite-based augmentation system,SBAS)的研究,以提升GNSS的精度、完好性、连续性和可用性。SBAS已成为提升GNSS综合性能尤其是完好性的重要解决措施。美国和欧洲的SBAS已经能够为航空用户提供垂直引导的定位器性能标准(localizer performance with vertical guidance 200,LPV200)等级导航服务,SDCM、MSAS、KASS和GAGAN等SBAS所提供的导航服务信号也逐渐覆盖中国周边地区。

北斗三号全球导航卫星系统服务性能评估:定位导航授时、星基增强、精密单点定位、短报文通信与国际搜救

本文给出了北斗三号全球导航卫星系统定位导航授时、星基增强、精密单点定位、区域短报文通信、全球短报文通信和国际搜救共6类服务的测试评估方法,并利用实测数据对各类服务的核心指标进行了评估。结果表明,定位导航授时服务方面,空间信号测距误差0.23 m(RMS),空间信号可用性99.44%,空间信号连续性99.99%,PDOP可用性100%,B1C信号全球定位精度水平方向1.31 m、垂直方向2.13 m(95%),B1C信号全球定位可用性99.93%,B1C信号授时精度14.7 ns(95%);星基增强服务方面,定位精度水平方向1.03 m、垂直方向2.60 m(95%)、具有垂直引导能力的一类进近(APV-I)可用性100%;精密单点定位服务方面,定位精度水平方向0.17 m(95%)、垂直方向0.22 m(95%)、平均收敛时间9 min;区域短报文通信服务成功率99.6%,服务容量1530万次/h(上行)、935万次/h(下行);全球短报文通信服务成功率96.46%,服务容量40万次/h(上行)、21万次/h(下行);国际搜救服务方面,搜救信号接收成功率98.3%(发射功率37 dBm)。

分区综合改正:服务于北斗分米级星基增强系统的差分改正模型

针对分米级星基增强服务的需求,提出一种满足用户基于相位观测值进行单站定位的分区综合改正模型。该模型利用参考站网的观测数据,实时计算参考站对每颗卫星伪距和相位观测值的综合改正数,并将综合改正数按照分区的方式编排到广播电文并广播给用户使用。本文介绍了模型的原理,并分析了参数播发频度、用户站与分区中心距离等因素对用户定位的影响。建立基于分区综合改正数的星基增强数据处理系统,采用分布于中国不同区域的北斗观测站数据对系统性能进行评估。结果表明,双频用户动态定位平均10min内收敛至误差小于1m,平均平面精度能达到15cm,高程精度达到20cm。

北斗星基增强系统性能提升初步评估

介绍了北斗星基增强系统及广域差分改正数算法.采用10个测站6d的相位平滑伪距和相位观测数据,初步评估了北斗星基增强系统性能提升后的用户定位性能.结果表明:用户相位平滑伪距增强定位精度在东、北和天顶3个方向上分别达到0.3m、0.4m和0.8m,相对于普通导航平均三维提高了53%;基于精密单点定位技术的用户相位增强定位坐标平均在7min内收敛到1m以内,收敛之后水平坐标精度能达到0.1m,高程坐标精度能达到0.2m,两项指标都优于基于外部后处理精密轨道钟差的精密单点定位结果.

BD星基增强系统格网电离层延迟算法

随着北斗卫星导航系统的发展日益成熟,开发基于北斗的星基增强系统已刻不容缓,而电离层误差是影响星基增强系统定位精度的重要误差源。利用中国大陆构造环境监测网络的10个GNSS参考站在2016年3月20日的观测数据,验证了基于北斗导航系统的星基增强系统格网电离层修正算法在中国地区部分站点的修正精度,与Klobuchar模型修正法进行了对比,并检验了格网电离层垂直延迟的修正误差GIVE。结果表明,格网电离层修正算法的修正精度普遍优于Klobuchar模型修正法;修正误差也在正常范围内,进一步说明格网电离层延迟算法在中国地区的应用是可行的。

BDSBAS时间基准互操作方法研究与性能测试

卫星导航星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)由不同国家建设,所增强卫星星座和参考时间系统不尽相同,因此,星基增强系统时间基准之间的兼容互操作一直是国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)星基增强系统标准研究中的重要技术问题。介绍了星基增强系统网络时(SBAS Network Time,SNT)的概念和研究现状,结合国际民航组织星基增强系统标准与建议措施(Standards and Recommended Practices,SARPs),对星基增强系统网络时间兼容互操作问题进行了分析和研究,并给出了目前最新的联合解决方案。在此基础上,对北斗星基增强系统地面状态进行了升级,并开展了服务性能初步测试。结果表明,北斗星基增强系统单频(Single Frequency,SF)星基增强系统网络时间和双频多星座(Dual-Frequency Multi-Constellation,DFMC)星基增强系统网络时间与参考全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)时间基准之间的最大偏差分别为37 ns和0.17μs,满足国际民航组织标准要求;服务性能基本符合APV-I等级要求,证明了北斗星基增强系统时间基准互操作的可行性和可靠性。

星基增强系统接收机中的导航比特同步设计与性能仿真

星基增强系统(SBAS)中导航电文速率为500符号/秒,针对其弱信号时找导航比特边界难的特点,提出了基于最大似然算法的比特同步算法,给出了在SBAS接收机中比特同步的应用公式和实现方法,并进一步创新性地设计了包含有软判决和多次判决的比特同步综合流程;最后在多种导航比特分布的情形下,对最大似然比特同步算法进行了不同载噪比下的性能仿真,确认了此算法在接收信号很弱时仍然有效。

卫星导航星基增强系统及信号体制的比较

概述了美国广域增强系统(WAAS)、俄罗斯的差分校正和监测系统(SDCM)、欧洲的地球静止导航重叠服务(EGNOS)、日本的多功能卫星星基增强系统(MSAS)以及印度的GPS辅助静地轨道增强系统(GAGAN)的基本工作原理、现状及技术发展趋势。研究了SBAS L5、L1频点的信号体制,包括调制方式、扩频码生成方法、电文类型、电文编码方式等,并对信号体制进行了比较。为国内卫星导航星基增强系统的研究提供参考,同时给出了增强载荷信号体制的设计建议。

星基增强系统导航电文及完好性信息研究

星基增强系统(SBAS)是全球导航卫星系统的重要组成部分,完好性信息是星基增强系统导航电文的主要内容之一。主要研究了全球星基增强系统的组成,星基增强系统的导航电文结构以及电文中播发的完好性信息。卫星可通过通信链路向用户发布星基增强系统导航电文,以实现改善用户定位精度和完好性服务等功能。

国外卫星导航星基增强系统发展概况

单纯依靠卫星导航系统,哪怕是目前定位精度最高的GPS系统,也无法满足一些对定位精度要求比较高的应用需求,比如航空领域的飞机精密进近等。因此,针对这一需求,尤其是来自航空业的迫切需要,许多国家都发展了自己的卫星导航增强系统。