北斗星基增强系统双频多星座服务覆盖范围评估

双频多星座(DFMC)服务已成为星基增强系统(SBAS)未来能力提升的重要方向之一,相关国际标准也将在2023年11月正式发布。北斗星基增强系统(BDSBAS)是全球范围内唯一持续播发DFMC增强服务测试信号的星基增强系统。在详细介绍SBAS DFMC服务可用性和保护级计算方法的基础上,利用实测的BDSBAS B2a增强电文对BDSBAS DFMC增强服务的一类垂向引导进近(APV-Ⅰ)/垂向导航信标性能(LPV)和决断高度200英尺垂向导航信标性能(LPV-200)等级的服务覆盖率进行了初步评估。评估结果表明,当前BDSBAS DFMC增强服务能够实现对中国及周边广大区域的服务覆盖,且双系统(BeiDou navigation satellite system和global positioning system, BDS+GPS)增强服务的APV-Ⅰ和LPV-200等级99%可用性覆盖率比单系统(BDS)增强服务的覆盖率分别提升16%和32%。

双频多星座北斗星基增强系统多路径误差特性研究

为了验证北斗星基增强系统(BeiDou Satellite Based Augmentation System,BDSBAS)多路径误差特性与国际民航双频多星座(Dual-Frequency Multi-Constellation,DFMC)星基增强系统多径误差模型的符合性,首先从导航系统信号特征出发,比较了北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system,GALILEO)频点信号特征;然后基于国际民航双频多星座北斗星基增强系统多路径误差模型的要求,提出一种双频多星座北斗星基增强系统多路径误差特性验证方法;最后,通过航空天线群延时试验以及实测数据对其符合性进行验证。结果表明:(1)BDS,GPS和GALILEO双频信号特征基本一致;(2)试验使用的航空天线符合DO-373天线群延时特性要求;(3)BDS,GPS和GALILEO多路径误差曲线变化趋势基本一致,双频多星座北斗星基增强系统多路径误差特性符合国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)多路径模型要求。

北斗星基增强系统性能评估

以实际广播星历、精密星历和北斗星基增强系统(BDSBAS)增强报文为实验数据,通过计算BDSBAS轨道误差、卫星钟差、空间信号测距误差和BDSBAS格网电离层有效点、播发时间和电离层延迟误差6个指标,评估分析了BDSBAS空间信号的性能。结果显示:BDSBAS增强后的GPS卫星轨道误差在切向、法向、径向分别降低了34.57%,40.57%,30.90%;卫星钟差均方根降低了24.31%,卫星钟差标准差降低了16.8%;空间信号测距误差相比增强前降低了32.75%;BDSBAS格网电离层有效点覆盖了中国及周边地区;BDSBAS各点电离层延迟播发间隔均达到ICAO对精确差分定位的要求;电离层延迟在0°-5°N范围内误差在0.4 m以上,可信度均达到99.9%,在5°-55°N范围内误差小于0.4 m,可信度均为100%;BDSBAS水平定位误差提升超过25%,垂直定位误差提升超过50%,完好性均在99.9%以上。

北斗星基增强系统的精确性研究

介绍北斗卫星导航系统的现状以及北斗卫星星基增强系统的工作原理。研究影响卫星导航精度定位的主要来源,确定有3种误差源,分别为卫星钟差、对流层延迟误差、电离层延迟误差。在此之后,对影响定位精度最主要的误差源——电离层延迟进行分析。针对电离层误差提出格网电离层模型的优化算法并通过数据采集和算法仿真对比得到较好的优化模型。通过仿真结果对比证明了优化算法能够有效降低电离层误差值。

北斗星基增强系统单频服务区域可用性评估

在研究美国广域增强系统(WAAS)与欧洲地球同步导航重叠系统(EGNOS)服务可用性评估方法的基础上,基于连续8天的实测数据对当前北斗星基增强系统(BDSBAS)单频服务一类垂直引导进近(APV-I)的区域可用性进行了初步评估。评估结果表明,受系统实际播发的卫星完好性参数有效性与电离层格网点(IGP)分布的限制,中国大陆APV-I 99%可用性覆盖率仅为49%,且在中国陆地边界和沿海地区性能迅速劣化;进一步仿真验证了在当前IGP均可用的条件下,APV-I 99%可用性理论最大覆盖率为96.22%,而在增加高纬度IGP后,覆盖率进一步提升为100%,可以解决中国高纬度地区可用性较差的问题。

北斗星基增强系统增强定位方法和效果研究

北斗星基增强系统BDSBAS通过地球同步轨道卫星实时播发导航卫星星历改正数等增强信息,提高用户全球导航卫星系统定位精度,提升服务水平,是北斗全球卫星导航系统的重要组成部分。根据相关标准协议文件研究了BDSBAS增强定位算法,并在自主研发的北斗星基增强系统监测接收机上设计实现了BDSBAS增强信号的接收,完成了单频和双频实时增强定位解算。实测结果表明:BDSBAS-B1C增强信号能有效提高GPSL1C/A的单频定位精度,相比于标准服务单频定位结果,水平和高程方向精度分别提升了45.18%和70.61%,提升后定位精度在1 m左右;BDSBAS-B2a增强信号能一定程度提高BDS B1C-B2a的双频无电离层组合定位精度,相比较于标准服务双频定位结果,水平和高程方向精度分别提升了6.15%和5.83%,提升后定位精度达到分米级。

面向BDSBAS电文认证的OTAR设计与仿真

星基增强系统(Satellite Based Augmentation System,SBAS)的电文格式公开,为防止SBAS服务遭受生成式欺骗攻击,国际民航组织积极推进SBAS认证服务标准的制定.本文面向北斗星基增强系统(BeiDou SatelliteBased Augmentation System,BDSBAS)阐述了基于中国商用密码算法的椭圆曲线数字签名(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm,ECDSA)电文认证方案与时间效应流丢失容错(Time Efficient Stream Loss-tolerant Authentication,TESLA)电文认证方案,设计了BDSBAS认证电文,依据空中密钥管理OTAR(Over The Air Rekeying)的策略制定了OTAR电文(OTAR Message Type,OMT)与播发方案.通过蒙特卡洛OTAR仿真器开展仿真,对不同OTAR电文接收时间进行分析,本文设计的方案与国外方案对比结果有明显的提升,有效的减少了接收机完成认证使用SBAS增强服务的时间,对BDSBAS电文认证服务提供一定参考与建议.

基于TESLA协议的BDSBAS电文认证技术

星基增强系统(SBAS)能为航空、航海等生命安全领域提供完好性增强服务,针对SBAS服务的欺骗风险,面向北斗星基增强系统(BDSBAS)发展,提出基于中国商用密码标准算法的时间效应流丢失容错认证机制(TESLA)电文认证方案。阐述SBAS电文认证架构与TESLA认证原理,开展基于中国商用密码标准算法的BDSABS认证电文编排及空中密钥更新(OTAR)的电文播发设计,针对L5I与L5Q开展认证时间间隔和最大认证延迟等指标的理论分析,进一步从OTAR信息权重和解调错误率2方面仿真首次认证时间指标。仿真结果能为基于TESLA协议的BDSBAS电文认证提供一定的理论支持。

面向BDSBAS电文认证的OTAR播发策略设计

星基增强系统(SBAS)是向用户提供完好性信息的广域增强系统,涉及生命安全领域。为了提高SBAS系统的抗欺骗能力,基于椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)提出面向北斗星基增强系统(BDSBAS)的电文认证设计方案。根据国内商用密码标准椭圆曲线(SM2)算法进行相应参数设计和电文排布方案,并描述了空中密钥更新(OTAR)的电文播发策略。为了进一步对试验方案进行验证,采用蒙特卡罗OTAR仿真器,基于3种播发调度算法进行仿真试验,通过调整权重对不同情况下OTAR电文接收时间进行分析。仿真结果为具体情况下OTAR电文方案播发调度的选择提供了重要参考依据。

BDSBAS定位性能初步分析

BDSBAS通过播发B1C、B2a增强信号,向中国及周边地区用户提供符合ICAO标准的单频服务和双频多星座服务。利用BDSBAS播发的改正信息,选取iGMAS国内4个监测站数据,开展了定位分析。试验结果表明:星基增强BDS双频定位水平精度为1.7 m,垂直精度为2.6 m。相比基本导航BDS双频定位,3个方向分别提升了8%、19%和19%,三维方向提升了17%;星基增强GPS单频定位相对于基本导航GPS单频定位,3个方向分别提升了23%、43%和37%,三维方向提升了37%;星基增强GPS双频定位相对于基本导航GPS双频定位,水平方向精度相当,高程精度提升明显,3个方向分别提升了4%、13%和24%。

BDSBAS完好性保护级分析与研究

选取中国地壳观测网(CMONOC)的参考站中的25个站点,作为基于北斗系统的星基增强系统(BDSBAS)地面参考站;对用户差分距离误差(UDRE)和格网点电离层垂直延迟改正数误差(GIVE)的算法进行研究;利用接收机接收的北斗数据,分析与研究了中国及邻近区域的完好性保护级及完好性可用性覆盖范围。结果表明:利用所提出的方法,至少95%时间可用时,整个中国区域100%满足LPV进近对完好性保护级的要求,部分区域满足LPV-200进近对完好性保护级的要求。由此验证BDSBAS在中国建设的可行性,对在民航中的应用提供了参考。

基于单频完好性参数包络要求的SBAS服务范围确定方法

基于单频完好性参数99.9%包络概率的要求,提出一种确定星基增强系统SBAS(satellite-based augmentation system)服务范围的方法。对欧洲EGNOS实际播发的完好性信息进行分析发现,使用本文方法推算出的EGNOS服务范围与其公布范围基本一致。该方法可为北斗星基增强系统BDSBAS(Beidou satellite-based augmentation system)服务范围的确定提供理论依据,促进BDSBAS服务性能的提升。

BDSBAS机载应用及飞行验证

星基增强系统作为广域增强手段,能为民用航空提供花费较低、可用性更高的导航功能。研制开发具备SBAS功能,满足民航使用要求的机载设备符合GNSS发展趋势。分析梳理了北斗星基增强系统(BDSBAS)的机载处理算法,从准确性、完好性等民航进近着陆的应用性能出发,对研制的北斗机载多模接收机于2021年5月在天津机场开展的SBAS飞行验证数据进行了分析评估。结果显示研制的机载设备在当前BDSBAS信号条件下可以满足APV-I进近的定位精度要求,试验期间未见完好性异常。

北斗星基增强系统服务等级与系统性能分析

针对生命安全用户对导航系统高完好性服务能力的迫切需求,以及国际航空完好性服务竞争日趋激烈的现状,北斗全球卫星导航系统一体化设计和规划了北斗星基增强系统(BDSBAS)。该文从国际民航组织(ICAO)相关标准要求,对BDSBAS服务性能进行研究和分析,推导并论证了系统精度、完好性、连续性等主要指标的分解方法;在此基础上,仿真计算了BDSBAS不同航空完好性服务等级对北斗系统等效伪距测量误差(UERE)、卫星故障概率、虚警概率等方面性能的要求。相关研究与分析结果能够为北斗及BDSBAS工程建设提供有益参考和借鉴。

北斗在民用航空器领域的应用和发展

北斗卫星导航系统是着眼于国家安全和经济社会发展的需要,自主建设、独立运行的卫星导航系统,也是未来航行系统的重要组成部分,在民航领域有很大的应用空间。本文面向民航领域应用卫星导航的紧迫性需求,聚焦民用航空器,提出北斗卫星导航系统在民用航空器的三大应用解决方案,并对未来发展及推广给出了建设性建议。

北斗民用双频星基增强电文性能的初步评估

针对北斗星基增强系统(BDSBAS)试验运行阶段播发的星基增强电文连续性及可用性问题,该文结合民用双频星基增强BDSBAS-B2a电文播发现状,分析了BDSBAS-B2a电文内容及播发策略,并比对分析了不同服务区域有无星基增强电文支持条件下的用户定位精度,初步验证了BDSBAS-B2a电文的有效性。评估结果表明:(1)BDSBAS-B2a电文类型、信息内容及更新周期均满足国际标准约定,初步具备了与其他星基增强系统(SBAS)在信号和信息层面的兼容与互操作能力;(2)相较于该文监测实现的BDS双频基本导航定位精度,BDSBAS能够有效将定位服务精度提升近一倍左右。

北斗民用单频星基增强服务性能的初步评估

针对北斗星基增强系统试验运行阶段播发的单频增强服务电文问题,分析了BDSBAS SF增强电文的播发类型及策略,给出了所播发完好性参数对用户等效测距误差的包络情况。利用BDSBAS实时播发的SF增强服务电文分析了基于所有单频增强电文参数的定位精度和完好性监测评估结果。评估结果表明:BDSBAS SF增强电文类型、信息内容及更新周期均满足国际标准约定,初步具备了与其他BSAS系统在信号和信息层面的兼容与互操作能力;相较于本文监测评估的UERE,BDSBAS SF完好性参数能够实现99.9%以上对UERE的包络;受限于SF服务区边界的格网电离层改正数可用性,BDSBAS SF中部服务区的定位精度及完好性要明显优于服务边界区域。