北斗D2導航電文解析和完好性性能分析

劉瑞華 陳瑩超 呂小平

(中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300)

北斗D2導航電文解析和完好性性能分析

劉瑞華 陳瑩超 呂小平

(中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300)

為評估北斗D2導航電文對系統空間信號完好性影響，對D2導航電文結構和內容進行研究。首先，通過基本導航信息的解析，給出了確定衛星位置和用戶位置過程所需的信息和時間，并對受衛星星歷和時鐘影響的用戶測距誤差做了說明，介紹了電離層誤差、對流層誤差改正模型。然后，通過增強服務信息的解析，論述了完好性信息(RURA、UDRE)及格網電離層延遲的計算方法。最后給出了使用完好性信息、用戶局部誤差獲取用戶定位誤差保護級的算法。

北斗 導航電文 完好性 保護級

1 引 言

北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS)是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。BDS由空間段、地面段和用戶段三部分組成，在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠性的定位、導航和授時服務，并在亞太區域提供短報文通信服務。現階段，系統已具備區域工作能力。截止到2016年11月，BDS在軌衛星數達到23顆，已開始全球組網建設。

2013年12月，中國衛星導航系統管理辦公室發布《北斗系統空間信號接口控制文件(2.0版)》，對北斗導航電文進行了詳細說明。用戶利用導航電文計算衛星當前的位置，并利用接收機獲取的偽距觀測量確定自身位置。同時，D2電文中播發的完好性信息及其改正信息對北斗系統完好性的研究具有重要意義。

2 導航電文結構分析

北斗播發的導航電文按速率和結構可以分為D1和D2兩種。D1導航電文由中地球軌道(MEO)/傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星的B1I和B2I信號播發，內容包含基本導航信息(本衛星基本導航信息、全部衛星歷書信息、與其它系統時間同步信息)。D2導航電文由地球靜止軌道(GEO)衛星的B1I和B2I信號播發，速率為500bps，內容包含基本導航信息和增強服務信息(北斗系統的差分及完好性信息和格網點電離層信息)。

D2導航電文在傳輸時按邏輯分成超幀、主幀和子幀。1個超幀包括120個主幀， 1個主幀包含5個子幀。具體內容可分為三部分：第一部分為子幀1，包含本衛星基本導航信息，分10個頁面發送；第二部分為子幀2、3、4，包含北斗系統差分及差分完好性信息，每個子幀分6個頁面發送；第三部分為子幀5，包含全部衛星歷書、格網點電離層信息及與其他系統的時間同步信息，分120個頁面發送。

利用電文第一部分計算衛星坐標、衛星鐘差、用戶坐標、電離層誤差、對流層誤差；利用電文第二部分進行完好性分析；利用電文第三部分計算全部衛星大致坐標、廣域范圍的格網法電離層誤差、由北斗時轉換來的其他各系統時間。

3 確定衛星位置、用戶位置及誤差補償

對用戶進行定位時，應有n≥4顆衛星對接收機可見。首先由接收到的電文子幀1確定每顆可見星坐標、衛星鐘差、電離層誤差和對流層誤差。由估計的用戶坐標和n個可見星坐標獲得關聯矩陣H，由接收機觀測偽距、用戶可見星幾何距離做差得到觀測偽距殘差Δρ。使用各衛星鐘差、電離層誤差、對流層誤差對n個Δρ進行修正得到Δρ1矢量，用戶坐標和接收機鐘差改正量δx可表示為：δx=Δρ1·H-1。重復上述定位過程直至連續兩次運算結果滿足規定的限差[1]。若使用差分信息進行用戶坐標解算，則使用子幀2、3、5得到的格網點電離層誤差和等效鐘差改正數代替上述電離層誤差，以修正偽距殘差，其他過程不變。

3.1 確定衛星位置

衛星坐標確定過程見本文附錄。分析D2電文可知，衛星定位所需的電文中最先播發的是子幀1頁面1字碼1第1-11bit的幀同步碼，它作為識別電文內容的先兆，使用戶易于解調導航電文；最后播發的是子幀1頁面10字碼3第1-13bit的軌道傾角變化率IDOT(InclinationangleDerivativeofTime)。不考慮運算時間，某衛星坐標確定用時最短為9個主幀加1個子幀1(IDOT所在子幀)的發送時間，即27.6s；最長為10個主幀的發送時間，即30s。

3.1.1 衛星鐘差

北斗系統通過地面監控站對衛星的監測，測得星鐘對于北斗系統時的偏差，這種偏差稱為星鐘鐘差Δtsv，可以通過公式(1)來改正[2]

Δtsv=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2+Δtr

(1)

式中：a0——時鐘偏移，s；a1——時鐘漂移，s/s；t——信號發射時刻的北斗時，s；toc——鐘差參數參考時間，s；a2——頻率漂移(即老化)，s/s2；Δtr——為相對論校正值，s。

利用電文Δtr表達式按公式(2)(3)計算

(2)

F=-2μ1/2/C2

(3)

B1I和B2I頻段信號的用戶，需要再使用星上設備時延差對星鐘鐘差按公式(4) (5)進一步修正

(Δtsv)B1I=Δtsv-TGD1

(4)

(Δtsv)B2I=Δtsv-TGD2

(5)

3.1.2 URE和URA

用戶測距誤差URE(User Range Error)采用空間信號瞬時URE的統計值表示。空間信號瞬時URE是指在不包含用戶接收機鐘差和測量誤差的情況下，實際觀測衛星空間信號所得到的偽距值與采用導航電文參數所得到的偽距值之差[3]。它實際是衛星預報軌道和鐘差誤差在衛星-接收機視距上的投影[4]。

用戶測距精度URA (User Range Accuracy)是對衛星段和控制段造成的用戶測距誤差URE的1σ估計，間接影響用戶的定位精度。URA 作為完好性參數將用于評估用戶可獲得的完好性服務級別。電文中以用戶距離精度指數(URAI)表征URA，子幀1第3個字的1-4bit為 URAI，重復周期6s，更新周期1h。

3.2 確定用戶位置

3.2.1 電離層誤差改正

(6)

式中：t——電離層穿刺點M處的地方時(取值范圍為0～86 400)，s；A2——白天電離層延遲余弦曲線的幅度；A4——余弦曲線的周期，s。

A2，A4按公式(7) (8)計算如下

(7)

(8)

式中：φM——電離層穿刺點M的地理緯度，π；αn、βn——電離層延遲改正模型參數，由電文提取。

穿刺點的地理緯度φM、地理經度λM按公式(9) (10)計算為

φM=arcsin(sinφu·cosψ+cosφu·sinψ·cosA)

(9)

(10)

式中：λu、φu——用戶地理經緯度，rad；A——衛星方位角，rad；ψ——用戶和穿刺點的地心張角，rad。

地心張角ψ按公式(11)計算

(11)

式中：R——地球半徑，取值6 378km；E——衛星高度角，rad；h——電離層單層高度，取值375km。

則B1I信號傳播路徑上的電離層延遲如公式(12)所示

(12)

3.2.2 對流層誤差改正

可以采用Saastamoinen模型計算北斗系統對流層延遲。擬合化簡后的模型[5]如式(13～16)所示

(13)

E′=E+ΔE

(14)

(15)

(16)

式中：δρ——對流層延遲，m;E——仰角，度；Ps——測站氣壓，mbar；Ts——測站氣溫，K；es——測站水氣壓，mbar；hs——測站海拔高程，m。

4 差分及完好性信息

4.1 等效鐘差改正數

等效鐘差改正數Δt是對衛星鐘差和星歷殘余誤差的進一步修正。用戶將Δt加到對該衛星的觀測偽距上，以改正上述殘余誤差對偽距測量的影響。

4.2 格網點電離層信息

4.2.1 格網點垂直延遲及其改正誤差

(17)

4.2.2 格網點電離層誤差改正算法

用戶根據電離層穿刺點(λM,φM)選擇其周圍的四個(或三個)有效格網點數據，這些格網點能夠包圍穿刺點，并形成5°×2.5°矩陣(左下角設為1，其他三點按逆時針用2，3，4標記)。利用選定的四個格網點(λi,φi，i=1～4)按公式(18)進行內插

(18)

則各格網點權值Wi按公式(19) 、(20)計算

(19)

(20)

若該觀測歷元某一個格網標識為無效，則其對應的權值為0。

4.3RURA和UDRE

用戶差分測距誤差UDRE(Userdifferentialrangeerror)可定義為系統服務區內，可視衛星等效鐘差改正誤差所對應偽距誤差的置信限值(置信度為99.9%)，其概率表示如式(21)所示

Pr=(UDRE>衛星等效鐘差改正誤差)≥99.9%

(21)

同樣，區域用戶測距精度RURA(Regional User Range Accuracy)可定義為在系統服務區內，衛星偽距誤差的置信限值(置信度為99.9%)，其概率表示如式(22)所示

Pr=(RURA>衛星偽距誤差)≥99.9%

(22)

計算UDRE時，觀測偽距經過格網點電離層改正、對流層改正、衛星和接收機鐘差改正、相對論效應改正、并由載波平滑加以減弱多路徑及觀測噪聲的影響、最后經過等效鐘差改正數修正，得到偽距修正值ρ0。利用參考站坐標和由預報星歷確定的衛星坐標得到計算偽距ρc，兩者差異記作dρ，如公式(23)

dρ=ρ0-ρc

(23)

對所有能觀測到該衛星的不同參考站的所有差值dρ進行統計，可得到相應衛星的UDRE，即公式(24)

(24)

計算RURA時，利用廣播星歷計算電離層延遲，并且不考慮等效鐘差改正數的影響。

4.4 定位完好性的確定

用戶使用完好性信息，結合本身的偽距觀測誤差可以進行差分加權定位解算和定位誤差保護限HPL(Horizontal Protect Level)、VPL(Vertical Protect Level)的估算。

由最小二乘原理得廣域差分定位解，如公式(25)所示

(25)

式中：HTWH——關聯矩陣；W——改正偽距的權；y——經差分改正的偽距觀測量。用戶接收到UDRE、GIVE后，定位完好性確定[7]的表達式如公式(26) (27)所示

K=(HTWH)-1HTW

(26)

(27)

4.5 完好性信息的解析

RURA是北斗區域導航系統為單頻非差分用戶提供的一項重要指標，以進行精度估計和判定。RURA表示區域范圍內某顆衛星的測距精度，描述該衛星的偽距誤差。UDRE直接與導航系統的完好性相關，它表示用戶差分偽距誤差，用來描述等效鐘差改正誤差，以判斷某顆衛星的差分精度。GIVE是格網點電離層垂直延遲IIGP改正誤差的估計，用以評估用戶電離層延遲改正誤差。通過監測RURA、UDRE和GIVE的值來保證完好性，它們分別要以一定的置信度限定最大的衛星偽距誤差、衛星等效鐘差改正數誤差和格網點電離層垂直延遲改正誤差，且能對受到的異常影響及時做出反應，以保證服務區內的所有用戶安全。

5 結束語

北斗GEO衛星播發的D2導航電文不僅包含所有本衛星基本導航信息，更包含增強服務信息，使之即可參與衛星、用戶位置解算，又可用于用戶完好性確定。可見星數的增加及電離層誤差改正精度的提高對用戶定位精度的改善大有幫助。同時，對差分完好性參數及用戶完好性確定的保護限的監測也為用戶完好性保障提供了一種方法。

[1] 劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法(第二版)[M].北京：科學出版社，2008.

[2]BDS-SIS-ICD-2.0.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件(2.0版)[S].中國衛星導航系統管理辦公室，2013,12.

[3] 北斗衛星導航系統公開服務性能規范(1.0版)[S].中國衛星導航系統管理辦公室，2013,12.

[4] 胡志剛.北斗衛星導航系統性能評估理論與試驗驗證[D].武漢：武漢大學博士學位論文，2013.

[5] 王新龍，李亞峰.GPS定位中4種對流層延遲修正模型適應性分析[J].電光與控制，2008.15.(11):5～9.

[6] 劉慧芹. 廣域差分GPS完好性監測研究[D].上海:同濟大學碩士學位論文，2007.

[7] 陳金平.GPS完善性增強研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2001.

Analysis of D2 Navigation Message and IntegrityPerformance of BDS

LIU Rui-hua CHEN Ying-chao LV Xiao-ping

(School of Electronic Information and Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

In order to evaluate the effect of BeiDou satellite system(BDS) D2 navigation message to signal in space (SIS) integrity, the BeiDou D2 navigation message was researched in the structure and the content. At first,Through the analysis of basic navigation information, the message and time used in the process for determining satellite position and user position were given. Simultaneously, the user ranging error which influenced by satellite ephemeris and clock was illustrated, the ionosphere and tropospheric error correction model were introduced either. Then, through the analysis of enhanced service information, the calculation method of integrity information (RURA, UDRE) and grid ionospheric delay were discussed. Finally, the calculation method of protection level (PL) for user positioning error that use integrity information and user local error was given.

BeiDou Navigation message Integrity Protection level

2016-04-08，

2016-11-28

國家重點研發計劃項目“廣域航空安全監控技術及應用”(2016YFB0502402)；民航安全能力建設項目“北斗機載設備技術標準規定與應用研究”(AADSA0007)

劉瑞華(1965-)，男，教授、 研究生導師, 主要研究方向:衛星導航及慣性導航和組合導航。

1000-7202(2017) 02-0081-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.17

TN964

A