衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能規(guī)范及其評估結果研究

宋曉麗，耿長江

（中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室 測試評估研究中心/中國航天電子技術研究院 衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程中心，北京 100094）

0 引言

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，目前已形成了以北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）、美國全球定位系統(tǒng)（global positioning system， GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system， GLONASS）和歐盟伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system， Galileo）4大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system， GNSS）等多系統(tǒng)并存的態(tài)勢。衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能已成為衛(wèi)星導航領域競爭的重點。在全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會（International Committee on Global Navigation Satellite Systems，ICG）、國際民航組織（International Civil Aviation Organization， ICAO）和美國導航學會（The Institute of Navigation， ION）會議等重大會議上都會有服務性能指標體系的相關議題。但目前 GNSS應用領域內(nèi)尚未形成統(tǒng)一服務性能指標體系，因此深入研究各衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務性能規(guī)范及指標體系具有重要意義，將進一步加強對性能指標和評估方法的認識，有利于逐步形成統(tǒng)一服務性能規(guī)范及指標體系。

本文在研究BDS、GPS、GLONASS和Galileo 4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務性能指標體系的基礎上，給出了相關指標的評估算法，并通過國際GNSS服務組織（International GNSS Service， IGS）、信息分析中心（Information and Analysis Center， IAC）和國際 GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)（international GNSS monitoring and assessment system， iGMAS）提供的數(shù)據(jù)與產(chǎn)品對4個系統(tǒng)的服務性能進行評估，與服務性能規(guī)范相比較，以驗證其服務性能。

1 服務性能規(guī)范及指標體系

目前，GPS已發(fā)布了4版《GPS標準定位服務性能標準》[1-4]（global positioning system standard positioning service performance standard， GPS SPS PS），有完善的衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務性能評估體系，在4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)中是最成熟的。監(jiān)測評估領域內(nèi)正在努力推進的GNSS服務性能指標體系很大程度上參考了GPS服務性能指標體系。

GLONASS官方尚未發(fā)布類似GPS SPS PS的GLONASS服務性能規(guī)范，但已向GLONASS重要應用領域——國際民航組織提交了 GLONASS服務性能參數(shù)，會根據(jù)GLONASS狀態(tài)進行指標更新。國際民航組織公約附件10《全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)標準和建議措施及指導材料（2011年第86次修訂版）》[5]（以下簡稱“民航公約附件 10”）中給出了 GLONASS標準精度通道服務性能指標，包括定位精度和可用性、測距精度、時間轉換精度和可靠性等。

BDS計劃在2020年前后，完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，為全球用戶提供服務，已于2012年12月27日完成區(qū)域階段部署，可為亞太大部分地區(qū)提供公開服務。2013年12月 BDS正式發(fā)布了《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)公開服務性能規(guī)范（V1.0）》[6]（以下簡稱“BDS服務規(guī)范”）。

Galileo是歐洲獨立發(fā)展的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，提供高精度、高可靠性的定位服務，計劃由30顆衛(wèi)星組成，已于 2016年 12月具備初始運行服務能力，將在2020年具備全面運行能力。2002年歐洲空間局發(fā)布的《Galileo任務頂層定義》[7]文件中明確提到了Galileo提供5種服務，針對公開服務、商業(yè)服務、生命安全服務、公共管制服務和搜救服務首次給出了性能指標參數(shù)。隨著Galileo的不斷發(fā)展完善，2016年歐洲委員會對外發(fā)布了《Galileo初始服務公開服務定義文檔》[8]（Galileo initial service-open service-service definition document， Galileo OS SDD），類似 GPS SPS PS 和BDS服務規(guī)范。

本文按照BDS、GPS、GLONASS和Galileo的服務性能規(guī)范，梳理出了現(xiàn)階段各自的公開服務性能參數(shù)，如表1所示。

表1 各衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務性能參數(shù)

續(xù)表1

表1中：URE（user ranging error）為用戶測距誤差；PDOP（position dilution of precision）為位置精度衰減因子；GGTO（Galileo to GPS time offset）為Galileo與GPS系統(tǒng)時偏差。

從表1可以得知BDS服務性能指標體系與GPS服務性能指標體系類似，二者有13個共同的服務性能參數(shù)。但各衛(wèi)星導航系統(tǒng)更多的立足于系統(tǒng)自身性能的角度來定義服務性能指標體系，故而參數(shù)類型有所不同，主要體現(xiàn)在以下幾點：

1）GPS有 11大類 24個服務性能參數(shù)，GLONASS有8大類16個服務性能參數(shù)，BDS有9大類14個服務性能參數(shù)，Galileo有 6大類 11個服務性能參數(shù)；

2）Galileo服務性能參數(shù)類型與其他系統(tǒng)差異較大，參數(shù)類型相對其他系統(tǒng)較少，但對具體某類參數(shù)進行了詳細劃分，從多角度展開評估；

3）覆蓋性能評估方面，BDS采用單星覆蓋范圍來評估，GPS采用單星覆蓋范圍和星座覆蓋范圍來評估，Galileo和GLONASS采用星座覆蓋范圍來評估；

4）空間信號精度評估方面，各衛(wèi)星導航系統(tǒng)都涉及到了測距誤差，同時各系統(tǒng)結合自身特點采用其他參數(shù)來評估；

5）服務性能評估方面，GPS和GLONASS對定位精度和可用性的評估，分為全球平均和最壞情況來評估，BDS針對全球平均情況來評估，Galileo尚未給出相應的評估；

6）現(xiàn)階段，僅 GPS公開發(fā)布的規(guī)范中涉及了空間信號完好性參數(shù)，其他系統(tǒng)的規(guī)范中尚未涉及該參數(shù)，僅GLONASS涉及了可靠性參數(shù)，其他系統(tǒng)尚未涉及該參數(shù)。

2 服務性能指標對比分析

GPS L1頻點服務性能指標要求參照《GPS SPS PS》，GLONASS L1頻點服務性能指標要求參照《民航公約附件10》，BDS B1頻點服務性能指標要求參照《BDS服務規(guī)范》，Galileo E1、E5a、E5b單頻或雙頻組合服務性能指標要求參照《Galileo OS SDD》

，各系統(tǒng)的服務性能指標具體如表2所示。表2中：GEO（geostationary Earth orbit）為地球靜止軌道；IGSO（inclined geosynchronous satellite orbit）為地球傾斜同步軌道；MEO（medium Earth orbit）為中圓地球軌道。

從表2可以看出，BDS和GPS的測距率誤差、測距加速度誤差和PDOP可用性指標要求相同，同時各系統(tǒng)由于各自發(fā)展階段和認知的不同，以及各系統(tǒng)自身設計的考慮，系統(tǒng)服務性能指標要求存在差異：

1）指標要求適用頻點不同。GPS、GLONASS和BDS的服務性能指標針對單頻點信號，而Galileo的服務性能指標適合初始運行服務的單頻點和雙頻點信號。

表2 各系統(tǒng)服務性能指標分析

2）單星或星座覆蓋范圍不同。各衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星高度和主波束角的不同，決定了衛(wèi)星信號可覆蓋到地面以上多少千米的范圍內(nèi)。

3）單星測距誤差指標要求不同。這由各衛(wèi)星導航系統(tǒng)軌道誤差和鐘誤差決定；Galileo的衛(wèi)星鐘性能最優(yōu)，故而 Galileo的單星測距誤差指標要求最高。

4）非計劃故障中斷指標要求不同。GPS非計劃故障中斷指標要求最高，結合日常監(jiān)測結果而言，GPS信號中斷最少；BDS非計劃故障中斷指標要求結合系統(tǒng)自身的特殊性，分 GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星3類衛(wèi)星給出；GLONASS和Galileo尚未給出非計劃故障中斷指標要求。

5）告警機制不同（狀態(tài)與問題報告）。BDS尚未發(fā)布告警機制；Galileo對于計劃事件的告警要比GPS的告警提前24 h，對于非計劃事件的告警給出了明確的時間范圍；GLONASS在俄羅斯航天國家集團中央機械制造研究院信息分析中心網(wǎng)上給出了告警，但并未對告警時間給出嚴格要求。

6）單星可用性指標要求不同。這與各衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號中斷時間密切相關；結合日常監(jiān)測結果而言，GPS信號中斷較少，中斷時間較短。

7）定位精度和定位可用性指標要求不同。這與系統(tǒng)自身的服務性能以及對電離層參數(shù)等其他參數(shù)的改正精度有關；結合日常監(jiān)測情況而言，GPS的定位精度指標要求較為保守；推測Galileo由于尚在建設中，暫未給出該部分指標。

3 服務性能實測評估

3.1 服務性能評估算法

各系統(tǒng)性能指標評估算法整體思路基本一致，在具體參數(shù)設置上由于系統(tǒng)自身的差異會有所不同，本文給出了空間信號 URE、空間信號連續(xù)性、空間信號可用性、PDOP可用性和單點定位精度指標評估算法。

1）URE精度?？臻g信號 URE是導航衛(wèi)星位置與鐘差的實際值與利用導航星歷得到的預測值之差，是導航電文（導航星歷和鐘差）精度的確切反映，主要組成部分是軌道誤差和衛(wèi)星鐘誤差，一般用“全球平均 URE”來表征。軌道誤差通過廣播軌道與精密軌道作差獲得，衛(wèi)星鐘誤差除廣播鐘差與精密鐘差作差外，還需要消除各衛(wèi)星由于基準鐘不同而對鐘差產(chǎn)生的差異；計算公式為式中：URE為用戶測距誤差；R為徑向誤差；C為法向誤差；A為切向誤差；T為鐘誤差；c為光速；α、β為系數(shù)。各系統(tǒng)衛(wèi)星高度不同，對應的系數(shù)值不同[9-12]：BDS GEO/IGSO衛(wèi)星，α和β分別為 0.99和 1/127；BDS MEO衛(wèi)星，α和β分別為0.98和1/54；GPS衛(wèi)星，α和β分別為0.98和0.141；GLONASS衛(wèi)星，α和β分別為0.98和0.149；Galileo衛(wèi)星，α和β分別為0.985 3和0.120 8。

2）空間信號連續(xù)性?？臻g信號連續(xù)性是指規(guī)定時間段內(nèi)空間信號保持健康而不發(fā)生非計劃中斷的概率。從可靠性的原理出發(fā)，可推出系統(tǒng)在一段時間內(nèi)的可靠運行概率，則任意1 h內(nèi)系統(tǒng)可靠運行的概率，即連續(xù)性概率，其的計算式為

式中：P為連續(xù)性；MTBF為平均故障間隔時間。MTBF越小，則故障發(fā)生越頻繁，連續(xù)性越差；反之連續(xù)性越好。由于空間信號連續(xù)性與非計劃中斷密切相關，因此計算MTBF時，要剔除由計劃中斷（至少提前48 h預報）引起的故障。

3）空間信號可用性。空間信號可用性（單星可用性）是規(guī)定軌道位置上的衛(wèi)星提供健康空間信號的概率，可通過衛(wèi)星健康可運行時間與實際總運行時間的比值得到。空間信號可用性計算公式為

式中：A為連續(xù)性；U為衛(wèi)星健康可運行時間，根據(jù) BDS接口控制文件中定義“衛(wèi)星自主健康信息（SatH1）”，“0”表示衛(wèi)星可用，“1”表示衛(wèi)星不可用；T為衛(wèi)星實際總運行時間。

4）PDOP。PDOP能反映衛(wèi)星的空間幾何分布情況，PDOP越小，空間幾何分布越好，反之空間幾何分布越差。根據(jù)某一時刻導航電文中的衛(wèi)星位置，可計算出該時刻全球任意位置的PDOP值，計算過程中，需剔除低高度角衛(wèi)星。PDOP可用性是PDOP的統(tǒng)計值。

5）定位精度。定位誤差是系統(tǒng)提供給用戶的位置與用戶真實位置之間的誤差，由廣播星歷提供的衛(wèi)星軌道位置和觀測文件提供的衛(wèi)星各頻點偽距觀測值列出觀測方程，用最小二乘法求解獲得。其中，要剔除低高度角衛(wèi)星，并對對流層、電離層、相對論效應等進行改正。定位精度是定位誤差的統(tǒng)計值，本文取定位誤差的95 %。

3.2 服務性能評估結果

本文利用 iGMAS、IAC和 IGS多GNSS實驗網(wǎng)（multi-gnss experiment， MGEX）提供的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，根據(jù) 3.1節(jié)給出的評估算法，評估各系統(tǒng)2018年 1月1日至2018年9月 30日期間的空間信號性能和導航服務性能。

1）空間信號精度。利用 2018年 1月 1日至2018年 9月 30日期間 BDS廣播星歷和 iGMAS精密星歷、GPS廣播星歷和IGS精密星歷、GLONASS廣播星歷和 IAC精密星歷、Galileo廣播星歷和iGMAS精密星歷計算各系統(tǒng)的空間信號精度，如圖1所示。

圖 1中，橫線代表了各衛(wèi)星導航系統(tǒng)對各系統(tǒng)空間信號精度的指標要求，從中可以看出各衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號精度滿足指標要求。其中，GPS SVN34（PRN04）號衛(wèi)星已退役，GLONASS GC723（SLOT12）號衛(wèi)星沒有精密星歷數(shù)據(jù)，故未參與統(tǒng)計。Galileo未發(fā)射和未播可用信號衛(wèi)星未參與統(tǒng)計。

2）空間信號連續(xù)性。分別利用2018年1月1日至2018年9月30日期間BDS廣播星歷和中斷類型、GPS廣播星歷和導航衛(wèi)星用戶告警信息、GLONASS廣播星歷和IAC告警信息計算各系統(tǒng)的空間信號連續(xù)性，如圖2所示。

從圖 2中可以看出：BDS單星空間信號連續(xù)性在排除計劃中斷的情況下均滿足指標要求；GPS單星空間信號連續(xù)性在排除計劃中斷的情況下均滿足指標要求，GPS SVN34（PRN04）號衛(wèi)星已退役，故未參與統(tǒng)計；由于GLONASS沒有公布空間信號連續(xù)性標準，暫不評定GLONASS衛(wèi)星空間信號連續(xù)性性能是否滿足指標要求，但統(tǒng)計結果仍可反映出GLONASS衛(wèi)星空間信號的連續(xù)性情況，可供參考。

圖1 各衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號精度

圖2 各衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號連續(xù)性

Galileo還處于系統(tǒng)建設階段，并且 Galileo尚未對外公布空間信號連續(xù)性性能標準，故本文暫未評估Galileo衛(wèi)星空間信號連續(xù)性。隨著未來Galileo發(fā)射更多衛(wèi)星后，后續(xù)將進一步開展Galileo衛(wèi)星空間信號連續(xù)性評估工作。

3）空間信號可用性。分別利用2018年1月1日至2018年9月30日期間 BDS、GPS、GLONASS和Galileo各系統(tǒng)的廣播星歷計算各系統(tǒng)的空間信號可用性，如圖3所示。

從圖3中可以看出：BDS各衛(wèi)星空間信號可用性均滿足指標要求，GEO-3號衛(wèi)星服役已到期限，相比其他衛(wèi)星而言可用性較低，于2018年9月29日處于維護狀態(tài)；GPS空間信號可用性滿足指標要求，SVN34（PRN04）號衛(wèi)星已退役，故未參與統(tǒng)計；GLONASS沒有公布空間信號可用性標準，暫不評定GLONASS衛(wèi)星空間信號可用性是否滿足指標要求，但統(tǒng)計結果仍可反映出GLONASS衛(wèi)星空間信號的可用性情況，可供參考。Galileo各衛(wèi)星空間信號可用性均滿足指標要求，系統(tǒng)未發(fā)射和未播可用信號衛(wèi)星未參與統(tǒng)計。

4）PDOP可用性。分別利用2018年9月1日至2018年9月30日期間BDS、GPS、GLONASS和Galileo各系統(tǒng)的廣播星歷，按照前面提到的算法，計算BDS服務區(qū)域內(nèi)和其余系統(tǒng)全球區(qū)域內(nèi)各個格網(wǎng)點（2.5°×5°）PDOP≤6可用性的統(tǒng)計情況，如表3所示。

表3 PDOP可用性

從表 3可以看出，GPS、GLONASS全球區(qū)域內(nèi)，BDS服務區(qū)域內(nèi)，PDOP≤6可用性約為100 %。Galileo隨著后續(xù)新衛(wèi)星的發(fā)射，PDOP≤6可用性將會有更明顯提高。

5）定位精度。利用iGMAS和 IGS MGEX各站提供的BDS B1I頻點、GPS L1頻點、GLONASS G1頻點和 Galileo E1頻點觀測數(shù)據(jù)分別進行單點偽距定位解算，對定位精度（PDOP≤6）進行統(tǒng)計，結果如表4所示。

圖3 各衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號可用性

表4 各系統(tǒng)各站定位結果（95 %） m

從表4可以看出，各站BDS B1I水平定位精度處于2 m左右，垂直處于5 m左右，滿足BDS指標要求（水平≤10 m，垂直≤10 m）。GPS L1頻點水平定位精度處于2 m左右，垂直處于5 m左右，滿足GPS指標要求（水平≤9 m，垂直≤15 m）。GLONASS G1頻點水平定位精度處于8 m左右，垂直處于14 m左右，滿足民航公約附件10最差位置指標要求（水平≤12 m，垂直≤25 m）。Galileo尚未給出定位精度指標要求，統(tǒng)計結果供參考。

4 結束語

本文研究了BDS、GPS、GLONASS和Galileo各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務性能指標及其評估算法，并對各系統(tǒng)服務性能指標進行了對比分析。在此基礎上，利用iGMAS、IAC和IGS MGEX提供的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，對各系統(tǒng)空間信號精度、空間信號連續(xù)性、空間信號可用性、PDOP可用性和定位精度性能進行了評估。從評估結果可以看出，各系統(tǒng)服務性能均可滿足各自的指標要求。

系統(tǒng)服務性能評估需要建立統(tǒng)一的規(guī)范，GPS SPS PS相對成熟，BDS、Galileo也公布了各自的公開服務性能規(guī)范文件，GLONASS尚未發(fā)布公開服務性能規(guī)范文件，缺乏公開的性能指標測試評估方法。隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不斷發(fā)展，期望加強各系統(tǒng)的交流與合作，建立統(tǒng)一的、適用于各系統(tǒng)的GNSS公開服務性能規(guī)范，進一步提升各系統(tǒng)服務性能，推進衛(wèi)星導航系統(tǒng)在航空、海事和交通等領域中的應用。