RTCA協議下北斗完好性降效參數算法設計及檢驗

王源昕，曹月玲，胡小工，黃勇,*，唐成盼

1.中國科學院 上海天文臺，上海 200030 2.中國科學院大學，北京 100049

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RTCA協議下北斗完好性降效參數算法設計及檢驗

王源昕1,2，曹月玲1，胡小工1，黃勇1,*，唐成盼1

1.中國科學院 上海天文臺，上海 200030 2.中國科學院大學，北京 100049

目前我國北斗導航增強系統的完好性參數設計缺少針對差分信息有效性的降效參數設計，不滿足航空無線電委員會(RTCA)提出的接口協議，無法同國際其他GNSS星基增強系統相兼容。根據RTCA接口協議，針對我國衛星導航系統的完好性降效參數處理算法進行了研究，利用北斗實測數據分析了完好性降效參數對用戶增強服務的影響，驗證了算法的有效性。結果表明，正常情況下，北斗導航系統增強服務三維定位精度可達到1.13 m。當用戶丟失部分差分改正信息時，定位精度約1.44 m，精度下降約27.4%，利用完好性降效參數對過期差分信息進行降效處理，優化定位權陣，可將定位精度提高至1.17 m，達到正常增強服務水平。

星基增強系統;航空無線電委員會協議;完好性;降效參數;北斗;定位

GNSS衛星導航系統已經被廣泛地應用于定位、導航和授時等服務，隨著GPS、GLONASS、Galileo以及BDS系統的完善,下一代GNSS衛星導航系統的性能得到極大增強。與此同時,各系統結構的復雜度也大幅度提升,導致系統故障發生概率明顯增加，因此，GNSS系統完好性監測問題成為越來越受關注的研究熱點[1-4]。

通常情況下，衛星導航系統廣域差分增強系統提供的增強信息包括兩類，一類是基于軌道和鐘差誤差改正的差分信息；一類是完好性信息，完好性信息是對差分改正信息的精度進行檢核[5]。而北斗區域衛星導航系統(BDS系統)雖在設計初期已經考慮了完好性需求，但完好性參數設計還不夠完善，無法滿足實際使用需求。隨著BDS系統向全球衛星導航系統建設，為了實現與其他GNSS衛星導航系統的星基增強系統相兼容，并滿足航空無線電委員會(RTCA)提出的接口協議，BDS系統在完好性參數設計上需要進一步地完善與細化。

BDS現役系統完好性參數與RTCA協議完好性參數設計的主要區別在于缺少降效參數的設計。目前，國內還沒有文獻對降效參數的處理算法進行研究，本文根據RTCA接口協議中對降效參數的定義，對完好性降效參數相關處理算法進行了研究，利用BDS實測數據，對完好性降效參數算法有效性進行了檢驗，分析了在用戶無法及時獲取差分改正信息情況下，應用完好性降效參數對用戶增強服務精度和可靠性的改善。

1　降效參數的定義及算法研究

BDS現役系統完好性參數僅包括UDRE、GIVE[6-8],與RTCA協議完好性參數設計[9]的區別見表1。BD現役系統目前缺少降效參數的設計,降效參數是指衛星導航系統增強系統會為用戶實時提供差分改正信息，以提高增強服務精度。但在一些異常情況下，隨機一個字節的錯誤或者其他原因，會導致用戶丟失這些增強信息，而系統播發針對差分改正信息有效性的降效參數，就可以保證用戶在丟失增強信息后的系統完好性。

在RTCA協議中，GNSS導航系統星基增強系統提供的差分改正信息分為快變改正(鐘差誤差改正)、慢變改正(星歷誤差改正)以及電離層格網改正信息。本文根據星基增強系統導航電文的慢變改正、快變改正將降效參數區分為慢變改正降效參數和快變改正降效參數，在最新的SBAS L5用戶接口文件初稿中[10]，降效參數定義如表2、表3所示。

注：√表示有該參數，×表示沒有。

表2　慢變改正降效參數定義

表3　快變改正降效參數

根據SBAS L5用戶接口文件中的定義，對降效參數的處理算法進行了設計，其中Iltcv0、Iltcv1、Igeo、Iiono均為系統設置，部分主要降效參數的算法如下:

(1)

式中:Fp.clk為快變改正值；Clkunit為鐘差快變改正信息量化單位。

(2)

(3)

式中：X1、Y1、Z1為導航電文中兩次更新周期慢變改正中軌道改正值速度項的差值，A1為鐘漂，Iltc,v1在表2中有定義，為系統設置項。

(5)

式中：IGPdelay為相鄰兩次電離層延遲增量(取全部格網點的變化均值)。

(6)

(7)

式中：dx、dy、dz、d(clk)如下:

(8)

式中：x、y、z為導航電文中提供的軌道改正值;Iunit為軌道改正值量化單位；Aunit為鐘差慢變改正值量化單位。

根據上述降效參數算法設計，利用2015年4月25日北斗實測數據，計算得到慢變降效參數并根據RTCA協議設置截斷點，Brrc、Cltc,v0均小于2.046。以1號星為例，慢變降效參數Brrc、Cltc,v0時間序列如圖1所示。

圖1　部分降效參數時間序列Fig.1　Result of part of degradation parameters

2　降效參數的使用算法

用戶單點定位觀測方程可寫為:

(9)

式中：ε為偽距觀測噪聲;G=

式中： (xs,ys,zs)為衛星位置；(xu,yu,zu)為用戶位置；dρ為偽距觀測值與理論值之差；向量y代表觀測量。則觀測方程的加權最小二乘解可表示為:

(10)

式中：W為用戶定位權陣，為對角陣:

(11)

(12)

(13)

式中：RSSUDRE為用戶差分距離誤差(UDRE)平方根和因子；σUDRE為UDRE殘差;δUDRE為影響用戶定位因子；RSSUDRE在第4節有效性檢驗中設為1；εfc為快變改正降效參數誤差；εrrc為距離變化率改正降效參數誤差；εltc為慢變改正降效參數誤差；εer為NPA服務階段降效參數誤差。

(14)

當快變改正標識IODF≠3，

(15)

當IODF=3,

(16)

當慢變改正速度項時，即Velocity Code=1時，

(17)

當慢變改正值時，即Velocity Code=0時，

(18)

GEO導航數據的慢變改正降效參數誤差是：

(19)

(20)

式(14)～(20)中:Ifc,j為最短的快變改正超時間隔；IODFcurrent為最近的快變改正相關的IODF；Δt=(tof-tpre)，tof為最新的快變改正的時間，tpre為之前的快變改正的時間；t為當前時間。tltc=GEO衛星中慢變校正信息的第一個比特的傳輸時間；為小于x的最大整數或者全體整數,為使用GEO導航電文消息的時間[5]，其余各參數均已在表2、表3中定義。

3　降效參數有效性檢驗

為了驗證完好性降效參數有效性，分別計算了三種模式下的用戶實時定位精度。第一種模式，用戶能夠正常接收到全部增強改正信息；第二種模式，仿真用戶增強信息丟失情況，人為設置30 min內有12 min的差分增強信息缺失，缺失時間內，用戶定位不使用差分增強信息；第三種模式， 與第二種模式相同，但在差分增強信息缺失時間內，均采用最后一組收到的差分增強信息，并利用降效參數計算用戶定位權陣，對差分增強信息的有效性進行降效處理。

利用2015年4月25日1時12分～1時42分北斗實測數據和北斗增強差分改正信息，計算北斗完好性降效參數，并對上述三種模式的用戶定位精度進行了分析驗證。圖2給出了三種模式下差分改正信息的使用情況，以1號衛星的差分改正為例。其中，圖2(a)為模式一情況下差分改正數使用情況，黑色連續的點表示全部時間段正常接收差分信息；圖2(b)為模式二情況下差分改正數使用情況，中間10～20 min內缺失差分改正信息，用戶定位不采用任何改正數；圖2(c)為模式三情況下差分改正數使用情況，中間10～20 min內缺失差分改正信息，該時間段內用戶定位時均采用第8 min的差分改正(以圓圈表示)。

圖2　三種模式下，增強信息中鐘差改正值時間序列Fig.2　Clock correction in three modes

針對上述三種模式，計算中國區域內10個監測站的三維實時定位精度，定位結果RMS統計結果見表4。結果表明在缺失差分改正信息的情況下，定位精度均有下降。而采用增強信息丟失前最后一組差分改正信息，利用降效參數對增強信息的有效性和完好性進行限定，用戶的三維實時定位精度有明顯提高，與正常情況下增強服務定位精度相當。相對于模式二，利用降效參數信息后，可以將用戶三維定位精度平均提高約23%。

以鄭州站為例進行具體說明，如圖3所示，圖3(a)為正常增強服務情況下(模式一)，三維實時定位精度為0.93 m;圖3(b)為丟失12 min增強信息情況下(模式二)，三維實時定位精度為1.15 m；圖3(c)為丟失增強信息后基于降效參數加權情況下(模式三)，三維實時定位精度為0.96 m。圖3中，將定位分三個階段用2條直線進行分隔，0～10 min及20～30 min，3種定位模式均處于正常增強服務情況，10～20 min模式二和模式三為丟失增強信息時間段。在丟失增強信息時間段，模式二定位精度較模式一明顯下降。而模式三在丟失增強信息后，使用過期的增強信息，并根據各衛星計算得到的降效參數，對各衛星分別進行降權處理，相對于完全不使用差分改正信息的情況(模式二)，定位精度有明顯改善，與正常增強服務情況(模式一)定位精度大致相當，保障了增強服務的連續性和可用性。

表4　各測站3種模式定位精度RMS統計

圖3　鄭州站定位結果Fig.3　Positioning results of Zhengzhou station in three modes

4　結論

本文依據最新的SBAS L5用戶接口文件初稿中降效參數的定義，設計了RTCA協議下的完好性降效參數處理算法。采用北斗實測數據，計算了完好性降效參數，并分析了降效參數對北斗增強服務用戶的影響。計算結果表明，設計的完好性降效參數算法適用于北斗增強系統。在差分信息丟失的情況下，采用過期差分信息，并利用降效參數對過期差分信息的有效性進行約束，用戶定位精度可與正常增強服務下的定位精度相當，可有效保障北斗系統增強服務的連續性和可用性。該算法可為北斗全球衛星導航系統的星基增強系統的完好性參數設計提供借鑒。

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(編輯：高珍)

The algorithm and validation of BeiDou system(BDS)integrity degradation parameters with RTCA protocol

WANG Yuanxin1,2，CAO Yueling1，HU Xiaogong1，HUANG Yong1,*，TANG Chengpan1

1.Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030，China 2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China

Currently,the design of integrity parameters for the satellite based augmentation system of BDS is lack of degradation parameters for the differential information′s availability,and can′t satisfy the RTCA protocol. So the satellite based augmentation system of BDS is not compatible to the other international satellite based augmentation system of GNSS.The integrity degradation parameters of BDS were designed according to the RTCA protocol,and the effect on the user positioning was analyzed by using the BDS measured data. Based on these,the effectiveness of this algorithm was demonstrated.The results show that, the location precision of the augmentation system for BDS reaches 1.13 m. However, if the user failed to receive some differential correction, the positioning precision reaches 1.44 m, decreases by 27.4% approximately. In this situation, by optimizing position matrix with the integrity parameters to the past differential message, the positioning precision will increase to 1.17 m, so the authorized service will recover.

satellite based augmentation system; Radio Technical Commission for Aeronautics protocol; integrity; degredation; BeiDou navigation system;positioning

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0054

2015-12-25；

2016-03-25；錄用日期：2016-06-30；

時間：2016-09-2116:27:59

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160921.1627.011.html

國家自然科學基金(11203059)

王源昕(1990-)，女，碩士研究生，yxwang5211@gmail.com,研究方向為廣域差分與完好性

黃勇(1977-)，男，研究員，yongh@shao.ac.cn，研究方向為空間飛行器精密定軌及其應用

V43

A

http:∥zgkj.cast.cn

引用格式：王源昕，曹月玲，胡小工,等.RTCA協議下北斗完好性降效參數算法設計及檢驗[J].中國空間科學技術，2016，36(5)：25-31.WANGYX,CAOYL,HUXG,etal.ThealgorithmandvalidationofBeiDousystem(BDS)integritydegradationparameterswithRTCAprotocol[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016,36(5)：25-31(inChinese).