北斗衛星導航系統（BDS）的星座可用性分析

■李尉華

（長安大學地質與測繪學院陜西西安710054）

北斗衛星導航系統（BDS）的星座可用性分析

■李尉華

（長安大學地質與測繪學院陜西西安710054）

隨著導航技術取得的大量新進展，導航系統的定位精度已能滿足大多數需求，但其保障動態用戶的完好性還遠遠不能滿足實際需求。在確保精度滿足要求的條件下，為使北斗衛星導航系統真正成為民用航空導航可用的單一導航系統，還需對可用性、連續性和完好性性能進行評估。本文利用北斗衛星導航系統的廣播星歷和實測的偽距觀測值，仿真計算北斗衛星導航系統在中國區域內的RAIM（接收機自體完好性監控）可用性，分析其所能達到哪些航空進近階段的完好性需求，以期為導航定位用戶提供北斗衛星星座可用性方面的參考。

北斗衛星導航系統可用性RAIM

北斗衛星導航系統是我國第一個自主研發的全球衛星導航系統。它的開發，旨在為我國提供開放、獨立、兼容且穩定性可靠的全球范圍內的精密定位服務。北斗衛星導航系統自2011年12月27日起，開始為我國及周邊地區提供連續的導航定位和授時服務，綜合各項研究進度與已有成果，北斗系統有望在2020年左右提供全球范圍內的連續導航定位和授時服務。衛星導航系統的完好性直接關系著導航用戶，特別從導航用戶安全角度考慮時，導航系統的完好性的重要性有著與精度同等重要的意義。因此，在保證北斗衛星導航系統覆蓋性能、導航定位精度的前提下，對北斗衛星導航系統接收機自主完好性的研究是十分必要的。

1　北斗衛星導航系統簡介

北斗衛星導航系統分為空間段、地面段和用戶接收機三部分。空間段包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星，其中非靜止軌道衛星由27顆中地球軌道衛星和3顆傾斜同步軌道衛星組成；地面段包括主控站、注入站和監測站等；用戶接收機包括各類北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。北斗用戶機兼有GPS、GLONASS、GALILEO的功能。

北斗衛星導航系統與其他幾個全球導航系統，如GPS、GLONASS、GALILEO等，重要區別在于北斗衛星導航系統的空間星座是由三種不同軌道性質的衛星組成。系統完整建成后，北斗衛星導航系統的性能將有望超越現有的GPSII系統。現階段其定位精度為10m，測速精度0.2m/s，授時精度10ns。在北斗二期工程完成之后，服務范圍向全球擴展，導航定位精度將有所提高，全球區域可達到水平5m，高程8m。

2　接收機自主完好性監測

2.1RAIM算法

接收機自主完好性監測（RAIM），即獨立冗余內存陣列，它是根據用戶接收機的多余觀測值監測用戶定位結果的完好性，其作用是在各導航系統導航過程中檢測出故障衛星的同時保障導航系統的定位精度。一般要求可見衛星數達到5顆以上才可進行完好性檢測，可見衛星數達到6顆以上才可能辨識出故障衛星。RAIM算法對于安全性有嚴格要求的應用非常重要，如民航、航空等。

目前應用較好的RAIM算法包括最小二乘殘差法、偽距比較法和奇偶矢量法。其中，最小二乘法應用最為廣泛。最小二乘法在定位解算的同時可對最小二乘殘差作粗差探測，最為簡便、直觀。該算法具有以下特點：

（1）僅利用當前時刻的數據進行自主完好性監測。

（2）該算法是假設導航系統在同一時刻只有一顆故障星的情況下進行檢測和剔除，若在該導航系統中同時出現兩顆或兩顆以上的故障衛星，則RAIM無法剔除故障星，只能給出警告。

（3）可見衛星數達到5顆以上就能用來進行完好性監測，但只能用于單一導航系統故障星檢測，若要剔除故障衛星必須觀測6顆以上衛星，而且衛星數越多，檢測效果越好。

2.2算例分析

本文采用2012年5月1號BDS廣播星歷brdc1220.12c文件，進行RAIM算法的仿真計算分析。以滿足LPV（垂直引導的橫向精密進近）飛行航段HPL＜HAL=40m、VPL＜VAL=50m的判斷系統可用性的條件。結果顯示在單BDS星座下，我國本土范圍內大部分地區用戶在95%時間里80m＜VPL（垂直定位誤差保護級別）＜150m，HPL（水平定位誤差保護級別）＜250m。根據GNSS用于導航各類進近階段的性能要求可知，北斗只能滿足非精密進近階段的完好性要求。

3　北斗衛星導航系統可用性分析

導航系統的可用性是指該導航系統的服務可以使用的時間百分比。北斗衛星導航系統可用性分析一般采用格網法，即按一定采樣間隔在每一格網點取一定觀測時間段分別確定是否可用，然后對所有地面格網點的所有采樣時刻的可用性結果進行統計，得到系統可用性。網格的劃分通常可采用兩種方法：等經緯度劃分法和等面積劃分法。

為分析衛星導航系統可用性，需要獲取用于衛星導航仿真系統可用性分析的原始數據，在獲取原始數據之前，對其算法和配置模型試驗的試驗是必要的。算法包括確定性方法和隨機性方法。根據北斗衛星導航系統的獨特體系特點，可按照空間段、用戶段、地面段和環境段建立仿真模型框架。

4　結論

針對接收機自主完好性監測的最小二乘殘差法，利用北斗廣播星歷具體數據對RAIM算法進行分析，比較了水平定位誤差保護級別HPL與水平告警限值HAL以及垂直定位誤差保護級別VPL與垂直告警限值VAL，結果顯示HPL＜HAL，VPL＜VAL，表明RAIM算法可用，但北斗僅能滿足非精密進近階段的完好性要求。需要說明的是，本文只考慮了單故障衛星情況，同時對各星座狀態概率只采用了先驗值，而顯然不同的是，星座狀態概率會影響平均服務可用性，而且隨著多系統的融合，接收機可接收多模衛星信號。

通過以上對其算法的介紹和分析可以看到，該類方法也存在一些明顯的局限性，比如可見衛星數目要求較多等等。隨著多系統的融合，接收機可接收多模衛星信號，可以使用雙星或多星的RAIM算法對接收機的完好性進行監測。

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P2［文獻碼］ B

1000-405X（2016）-8-228-1

李尉華（1995～），女，回族，研究方向為大地測量學與測量工程。