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。

BDSBAS-B1C服务性能评估模型分析

为了进一步提高卫星导航定位精度,提出一种北斗星基增强系统(BDSBAS)服务信号BDSBAS-B1C服务性能评估模型分析方法:介绍北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)星基增强和国外星基增强系统发展概况;并给出星基增强卫星轨道误差、钟差误差、电离层改正误差模型,以及完好性保护水平计算模型;然后基于国际GNSS监测与评估系统(iGMAS)数据对星基增强轨道、钟差、格网电离层改正精度以及定位服务性能进行评估,构建斯坦福(Stanford)图模型来判断系统定位结果的安全等级,并计算服务区内保护水平覆盖情况。实验结果表明,卫星轨道径向(R)、切向(T)、法向(N)方向改正精度分别为0.56、1.06、0.88 m,钟差改正精度为0.95 ns;水平、高程定位精度(95%)分别为1.31、2.06 m;水平、垂直保护水平(95%)分别为5.12、8.09 m,根据Stanford图安全等级结果,能够满足国际民航组织对一类垂直引导进近(APV-I)的指标要求。

基于SBAS技术的地表形变自动识别与监测分析

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术因全天时、全天候、不受云雾影响,广泛用于地表形变监测,如何快速获取大范围内形变区域的分布情况亟须解决的问题,为此利用短基线集(SBAS)技术处理了143期Sentinel-1A数据,对山西省沁水县进行了地表形变监测,利用热点分析方法自动提取变形区域,并对提取出来的重点区域进行长时间的监测分析。研究结果表明,在沁水县共识别出15处地面塌陷区和1处滑坡。通过对两处典型区域进行时序形变监测,发现塌陷区域目前仍然处于持续变形中,且形变量级较大,最大累积形变量达到了-205.2 mm,验证了利用热点分析进行大范围结果识别监测的可靠性,研究成果可为该区域研究和矿区塌陷灾害防治提供支撑。

基于地球GNSS和导航增强星的地月空间导航方法

针对载人登月及无人月球探测后续任务中亟须突破的高精度实时自主导航需求,拥有GNSS自主导航能力具有重大意义,符合未来月球探测任务简便、低代价导航发展趋势。而将地球GNSS导航直接应用到地月空间导航场景所能提供的实时导航能力有限,无法满足高精度导航应用的需求。因此,提出了一种基于地球GNSS和导航增强星的地月空间导航方法,通过仅增加一颗月球空间导航节点,在播发导航信号的同时,分别建立与地球GNSS导航星座和月球用户之间的双向时间同步链路,将钟差与位置误差进行解耦,实现月球用户的高精度实时三维绝对导航。仿真结果表明,该方法能大幅提升月球用户的几何精度因子,可获得优于50m的实时定位精度,具有很强的实用性。

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。

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。

SBAS电文时序动态编排算法

星基增强系统(SBAS)通过GEO卫星转发SBAS电文实现对GNSS服务性能的提升,以满足民航用户不同飞行阶段的导航需求,因此,合理有效的电文内容及播发时序设计是系统实现高质量服务的重要保证。为提高电文编排的灵活性,避免固定时序填补空余电文引起的播发资源浪费,提出了一种SBAS电文时序动态编排算法,在满足国际标准要求的前提下,综合利用SBAS电文龄期和最大播发间隔实现待播发电文的自动选择。利用NTMF实测数据对当前各主要SBAS的电文进行了特性分析,对所提方法的单双频SBAS电文编排效果进行了评估。结果表明:所提算法可保证电文时序符合国际标准要求,实现了重要电文的优先播发,将空余时隙进行动态分配实现了各类型电文播发间隔的近等比例缩短。与固定时序相比,单频SBAS完好性电文播发间隔缩短约15.0%,首次定位时间缩短约8%,双频SBAS电文首次定位时间缩短约6.5%;与固定时序的BDSBAS B1C电文相比,完好性服务能力提升约14.7%,首次定位时间缩短约16.7%。所提算法有效提升了SBAS电文播发的播发效率,实现了SBAS播发资源的100%有效利用。

基于SBAS-INSAR的德兴矿区沉降监测与分析

以江西省德兴市矿区为例,采用小基线集技术即广域差分增强系统-干涉雷达(Satellite-Based Augmentation System-Interferometric Synthetic Aperture Radar,SBAS-InSAR)技术处理该区域2018年12月29日至2019年12月24日共30景升轨哨兵1号(Sentinel-1A)数据,对该矿区进行地表沉降分析。研究结果表明,研究区内有三处明显沉降,分布在研究区的西南部、东南部以及北部,其中西南部沉降最为严重,最大年平均沉降速率为490 mm/a。针对沉降较为严重的区域选点进行特征点时序分析,结果表明,选取的特征点随着时间的推移其累积沉降量逐渐增大,并在研究时间跨度之内没有减缓的趋势,矿区持续开采诱发的地面沉降会给地质结构和周围居民的生活产生一定影响。

基于移动GIS和整合SBAS信号的GPS校园绿化调查

探讨了利用GPS整合星基增强系统(SBAS)卫星信号进行绿化调查的过程,并通过应用实验验证该技术的定位精度。在此基础上,基于掌上电脑(PDA)集成移动GIS和GPS,实现了GPS WGS-84坐标转换为城市平面坐标,进行了校园绿化调查,取得了较好的定位精度。

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。

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。

机载SBAS接收机完好性服务性能分析

星基增强系统(SBAS,satellite based augmentation system)的出现可有效提升全球卫星导航系统核心星座的各项性能,因其能够产生较高精度的定位信息以提供更加安全的导航服务,被广泛应用于民航领域中。利用SBAS服务区域内不同监测站接收的导航和增强报文等实测数据,研究了定位精度和完好性报文处理过程以及可见星质量、定位误差、保护级和告警门限等完好性参数指标。针对完好性监测所要求的故障检测能力,分析不同故障函数时卫星的完好性服务能力,最后完成SBAS故障卫星的检测与排除。结果表明:根据报文解码及各项参数提取算法能够得到较好的精度和完好性结果,各地面站精度都符合LPV-200进近时的要求;美国本土中部地区完全满足LPV-200进近的完好性服务要求,边缘地区监测站除个别时刻外均满足LPV进近的完好性服务要求;排除故障卫星后,服务性能基本与未发生故障时性能相近。

基于北斗的SBAS保护级算法研究

随着国际导航事业的迅猛发展,中国基于北斗的星基增强系统(BD-SBAS)的研究也迫在眉睫,其中完好性性能指标一直是实际应用中关注的重点,它是衡量卫星导航系统性能可靠性的重要标志。而完好性的两个主要指标:水平保护级(HPL)和垂直保护级(VPL)的算法也成为研究的重点。利用大地参考基站的数据并按照一定的算法可计算出HPL与VPL的值。研究表明,计算出的水平与垂直保护级结果符合高精度导航进近的要求,从侧面证明了在中国北斗基础上搭建的星基增强系统同样可以被实际运用,而且精度很高,达到三类进近要求。

基于北斗三号PPP服务的快速静态和低动态定位性能分析

设计仅采用一台接收机同时接收GNSS导航信号和PPP-B2b增强信号,进行108个快速静态实验和1个低动态导轨实验。结果表明:1)对于快速静态PPP,97%的样本平均收敛时间为34.6 min,收敛后水平和高程方向精度分别为5.9 cm、9.7 cm;重启接收机10 min、20 min、30 min后,78%、83%、86%的水平方向精度优于10 cm,75%、84%、86%的高程方向精度优于15 cm;2)对于低动态导轨实验,30 min的收敛时间后E、N、U方向的RMS分别达24.3 cm、1.1 cm、12.2 cm。

基于BDSBAS的机载端完好性算法研究

用户差分距离误差、区域用户距离误差是判断差分精度能否符合系统完好性性能标准的主要参数,本文基于北斗星级增强系统在校验电离层延迟时,使用格网电离层校正模型的二次曲面拟合算法得到电离层延迟,计算用户差分距离误差、区域用户距离误差。结果表明,二次曲面拟合算法能满足机载端在飞行各阶段中对北斗卫星导航系统精度与完好性的要求。

基于SINS/GBAS组合导航的高精度进近着陆导航技术

可重复使用运载器在进近着陆阶段对位置偏差有较高的精度要求,而现有的组合导航方式的导航误差波动幅度较大,难以满足运载器在进近着陆段的导航要求。因此,本文利用捷联惯导系统(strap-down inertial navigation system,SINS)的非线性误差传播模型,以陆基增强系统(ground based augmentation system,GBAS)输出的精确位置信息为基础,建立SINS/GBAS组合导航方法,并给出“输出+反馈”的组合导航复合修正结构。通过在GBAS中引入电离层误差及对流层误差,从而实现了对于运载器定位误差在厘米级的精确定位。此外,通过引入扩展卡尔曼滤波技术,有效地抑制了惯导误差漂移的问题。通过数值模拟仿真,证明SINS/GBAS组合导航对飞行器进近着陆段的水平与高程定位误差不大于0.05 m,测速误差不大于0.05 m/s,从而证实了SINS/GBAS组合导航方式在可重复运载器在进近着陆段导航的可行性。

不同尺度范围的监测网对星基增强服务性能的影响分析

区域监测站提供的星基增强完好性监测服务在民用航空等生命安全领域发挥着重要作用。为了分析利用不同尺度监测网估计的完好性信息对用户服务性能影响,使用等效钟差方法分别实现三种不同尺度的监测网完好性参数估计,并进行增强定位验证。从增强卫星数目、用户测距误差、定位精度和保护级包络特性方面研究不同尺度的监测网对用户服务性能评估的影响,结果表明:与小尺度和中等尺度区域相比,大尺度区域增强卫星数目分别增加了50.7%、33.7%。与广播星历伪距单点定位相比,基于小、中等和大尺度区域监测网估计的改正数增强定位在水平方向定位精度分别提升了33.08%、33.59%和32.54%,垂直方向定位精度分别提升了36.56%、41.07%和43.86%。三种尺度估计的平均用户测距误差均优于0.3 m,保护级水平对定位误差的包络均能达到95%。研究成果可为区域星基增强监测网的选择提供理论支撑和应用依据。

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%。

SBAS GEO卫星URE精度及定位增强研究

分析星基增强系统(satellite based augmentation system,SBAS)地球同步轨道(geostationary Earth orbit,GEO)卫星用户测距误差(user range error,URE),研究GEO卫星测距对导航定位性能的影响,可为SBAS系统设计和民航应用提供有益参考。利用广域增强系统(wide area augmentation system,WAAS)、北斗星基增强系统(BeiDou SBAS,BDSBAS)、GPS辅助静地增强导航系统(GPS aided GEO augmented navigation, GAGAN)和多功能卫星增强系统(multi-functional satellite augmentation system,MSAS)的SBAS信息对GPS和GEO卫星星历、时钟和观测值进行改正,固定测站位置,根据改正数残差方差加权计算接收机钟差,得到GEO卫星测距误差;将GEO卫星观测值纳入SBAS定位解算,评估GEO卫星测距对定位结果的影响。通过实测数据分析可知,WAAS GEO卫星URE优于1.6 m;BDSBAS 3颗GEO卫星分别存在14.32 m、12.64 m和17.44 m的系统偏差,经系统性误差改正后,GEO卫星URE优于2.9 m;GAGAN和MSAS GEO卫星URE分别优于13.9 m和3.2 m。当GPS卫星数较少时,联合GEO卫星观测值进行SBAS解算能够有效减小定位保护级,提升系统可用性。

北斗单频星基增强服务性能初步评估

针对北斗单频星基增强服务(BDSBAS-B1C)实际服务性能指标尚不明确的问题,提出一种BDSBAS-B1C服务性能监测评估方法:开发一套BDSBAS-B1C服务性能分析软件;并结合2022年1—4月的观测数据对BDSBAS-B1C的覆盖范围、可用性、连续性、定位精度和完好性等服务性能关键指标进行初步评估。结果表明,BDSBAS-B1C的I类垂直引导进近服务可用性和连续性在中国内陆区域能够达到99.99%以上,而在中国边界区域会有所下降,水平定位精度约为1.1 m,高程定位精度约为2.1 m,较全球定位系统(GPS)标准定位提升了约46%和43%,评估期间没有发生误警、漏警事件。