北斗三號全球導航衛星系統服務性能評估：定位導航授時、星基增強、精密單點定位、短報文通信與國際搜救

蔡洪亮，孟軼男，耿長江，高為廣，張天橋，李 罡，邵 搏，辛 潔，盧紅洋，毛 悅，袁海波，劉 成，胡小工，樓益棟

1. 北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094； 2. 中國衛星導航系統管理辦公室測試評估研究中心，北京 100094； 3. 北京衛星導航中心，北京 100094； 4. 中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068； 5. 中國交通通信信息中心，北京 100011； 6. 西安測繪研究所，陜西 西安 710054； 7. 中國科學院國家授時中心，陜西 西安 710600； 8. 中國科學院上海天文臺，上海 200030； 9. 武漢大學衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079

北斗三號系統是我國獨立自主建設的全球導航衛星系統，于2020年7月31日建成并向全球提供服務。北斗三號系統在提供定位導航授時服務外，還集成了星基增強和精密單點定位功能，實現高精度、高完好性，并融合了通信數傳功能，實現全球、區域短報文通信及國際搜救服務[1]。文獻[2—5]對北斗三號定位導航授時服務性能及相關指標進行了評估，但尚未有對系統各類服務全面的評估工作。本文詳細描述了6類服務的測試評估方法，并利用實測數據對各類公開服務進行了評估，旨在為北斗三號不同類型的用戶提供參考。

1 服務類型

北斗三號系統服務類型及其基本參數見表1[1]。

表1 北斗三號系統服務類型

系統通過B1C、B2a、B1I、B3I和B2b共5個頻點提供公開的定位導航授時服務，其中B1C、B2a信號與GPS L1/L5、Galileo E1/E5a中心頻率相同，可以與GPS、Galileo系統實現較好的兼容互操作，簡化多系統兼容終端的設計。B1I和B3I信號則與北斗二號完全一致，從而確保北斗二號用戶能夠平穩過渡到北斗三號系統，B2b信號則為信號跟蹤測量提供了更多選擇。

星基增強公開服務由SBAS-B1C與SBAS-B2a兩個頻點提供，其中SBAS-B1C提供的是符合國際民航標準[6-7]的單頻SBAS服務(現有標準僅支持GPS、GLONASS兩系統的增強，系統目前只播發了GPS增強信息)，SBAS-B2a按照國際民航標準草案[8-9]提供的是雙頻多星座SBAS服務。SBAS-B1C電文涵蓋了快變、慢變、電離層等誤差改正信息并提供用于保證用戶完好性的相關信息，用戶通過計算保護等級確認自己使用的導航服務精度在要求的范圍以內。SBAS-B2a探索性地提供了國際民航尚未形成正式標準的雙頻多星座SBAS服務，代表了未來全球SBAS發展的方向。

精密單點定位服務旨在提供更高精度的定位、測速、授時服務，當前通過GEO衛星播發北斗三號和GPS衛星軌道、鐘差等改正數，使空間信號精度進一步提升，用戶使用精密單點定位技術可以獲得分米至厘米級精度(收斂后)，進一步拓展了北斗系統應用的范圍。

短報文通信服務包括區域短報文通信和全球短報文通信兩種。區域短報文通信利用3顆GEO衛星實現，具備報文通信及位置報告、應急搜救功能報文長度最長1000漢字，終端發射功率可以降到3W以下。全球短報文通信利用14顆MEO衛星實現覆蓋全球的報文通信服務，報文長度最長40漢字。

國際搜救服務是按照全球衛星搜救系統(COSPAS-SARSAT)標準提供中軌衛星搜救功能，在6顆MEO衛星上安裝了搜救載荷，遇險用戶通過信標發射406 MHz信號并由衛星搜救載荷進行轉發。除標準的搜救功能外，北斗三號搜救服務還具備返向鏈路功能，能夠向遇險用戶發送確認信息，增強遇險用戶獲救信心。

2 評估方法

2.1 定位導航授時服務

定位導航授時服務的關鍵指標在各衛星導航系統的服務性能規范中均有定義[10-12]，本文按照北斗衛星導航系統公開服務性能規范[10]的指標體系，評估了空間信號測距誤差、空間信號測距誤差變化率誤差、空間信號測距二階變化率誤差、空間信號可用性、空間信號連續性、PDOP可用性、定位精度、定位可用性及授時精度共9個指標。

空間信號測距誤差(SISRE)反映導航電文中軌道、鐘差及Tgd誤差對用戶測距精度的影響，其計算公式為

(1)

式中，c為光速；T為鐘差偏差；R為徑向軌道偏差；A為切向軌道偏差；C為法向軌道偏差；κ對于GEO/IGSO衛星取0.99、MEO衛星取0.98；ω與軌道高度有關[13]，對于GEO/IGSO衛星取127，MEO衛星取54。空間信號測距變化率誤差(SISRRE)與空間信號測距二階變化率(SISRAE)誤差利用衛星鐘差的Hadmard方差計算[11]。

空間信號可用性為預定軌位上的衛星播發可用信號(按照系統空間信號接口文件和服務性能規范的定義)的時間比例，本文評估的是單星空間信號可用性，計算方法為

(2)

式中，A為空間信號可用性；H為空間信號可用的總時間，單位為s；SUM為評估時段的總時間，單位為s。

空間信號連續性指可用的信號在指定時間段(本文采用1 h)內不發生非計劃中斷的概率。本文評估的對象是單星空間信號連續性，其近似計算方法為

(3)

式中，P為空間信號連續性；MTBF為平均故障間隔時間(單位為h)；T取1 h。

PDOP可用性是統計一個星座回歸周期內全球格網點上PDOP值小于等于6的比例，格網分辨率為5°×5°，計算時間間隔5 min。

定位精度和可用性的評估，首先需嚴格按照ICD[14-17]的定義方法和參數計算衛星軌道、鐘差、相對論及電離層延遲，并用單頻偽距進行最小二乘單歷元解算，獲得定位結果，然后與準確坐標做差得到定位偏差，將定位偏差與可用性判斷門限比較(本文取水平10 m，垂直10 m)得到定位可用性。

授時精度評估利用基于中科院國家授時中心獲得的UTC時間為參考，通過授時型接收機進行北斗授時(進行UTC偏差改正，歸算到UTC時間)，最后計算北斗導航系統授時結果與授時中心獲得的UTC間的差值。

2.2 星基增強服務

星基增強服務主要評估指標包括定位精度、定位服務可用性、定位服務連續性和定位服務完好性等[18-23]，由于BDSBAS B2a信號提供的雙頻多星座SBAS服務尚未形成國際標準，這里只評估了SBAS-B1C信號提供的單頻SBAS服務。

對SBAS定位精度的評估需嚴格按照國際民航標準[6-7]開展定位解算。具體方法為：首先對原始偽距用載波相位進行平滑，然后利用SBAS信息進行快變、慢變及電離層延遲改正，其他誤差項改正方法與標準單點定位相同(對流層延遲模型按照民航標準)，最后用加權最小二乘求解每歷元的位置解和相應的保護等級。定位解算結束后，對保護等級滿足指定服務類型精度告警閾值(取APV-I類進近標準，水平告警閾值40 m，垂直告警閾值50 m)內時段的定位精度進行統計。

定位服務可用性評估是統計用戶保護等級在指定閾值(采用APV-I指標)內的時間比例。

定位服務連續性是指定時段內(采用15 s)用戶保護等級滿足一定閾值(本文采用APV-I指標)要求的概率(起始時刻為滿足閾值要求狀態)，采用15 s滑動窗口的方式統計。

定位服務完好性主要統計了漏警概率，即真實定位誤差超過保護等級的概率，反映的是保護等級對真實定位誤差的包絡能力。

2.3 精密單點定位服務

精密單點定位服務指標包括定位精度和收斂時間。

定位精度評估按照精密單點定位的解算方式[24]，用北斗三號播發的改正信息進行軌道、鐘差及Tgd改正，然后開展事后數據仿實時動態精密單點定位(解算中認為前后歷元的位置參數不相關)，最后將解算結果與接收機的真實位置作差，統計水平、高程精度。

收斂的判定按照定位精度達到水平30 cm，垂直60 cm的精度，并持續超過2 min(統計收斂時間時含這2 min)。

2.4 區域短報文通信服務

區域短報文通信服務主要測試了報文通信成功率、服務容量。

通信成功率評估方法為配置兩臺北斗短報文通信終端，一臺向衛星發送短報文，另一臺接收，統計發送和接收的次數計算成功率。

服務容量的方法為測試單顆北斗三號GEO衛星單個波束的容量，進而推算全系統容量。

2.5 全球短報文通信服務

全球短報文通信服務的評估方法與區域短報文通信服務相同，測試指標包括了通信成功率、服務容量。

2.6 國際搜救服務

國際搜救服務主要是測試前向報警的成功率。通過國際搜救衛星組織已入網運行的中軌地面站測試北斗搜救載荷業務，利用模擬信標發送上行測試信號，經過搜救載荷轉發至L頻段后，利用境外中軌搜救地面站進行接收，對輸出結果進行解碼，評估前向報警信息的成功率。

3 評估結果

3.1 定位導航授時服務

利用2020年6月19—25日國際GNSS監測評估系統(iGMAS)21個站、國際GNSS服務組織(IGS)30個站及北斗星間測距數據進行精密定軌，獲得精密軌道，經激光測距數據檢驗優于5.0 cm，并以此作為基準，對北斗三號B1I/B3I頻點的空間信號精度進行評估，結果顯示，所有衛星空間信號精度均優于0.5 m(RMS)，均值為0.23 m，如圖1所示。

圖1 北斗三號衛星SISREFig.1 SISRE of BDS-3 satellites

統計相同時段所有衛星的SISRRE均值為0.000 35 m/s，SISRAE均值為0.000 12 m/s2，分別如圖2、圖3所示。

圖2 北斗三號衛星SISRREFig.2 SISRRE of BDS-3

圖3 北斗三號衛星SISRAEFig.3 SISRAE of BDS-3

利用2020年1月1日至6月30日期間的導航電文數據，統計了北斗三號衛星B1I/B3I信號的空間信號可用性，結果如圖4所示。所有衛星空間信號可用性整體統計結果為99.44%。可以看到PRN59衛星的空間信號可用性較低，這是由于該星在統計期間開展了較長時間的在軌試驗。

圖4 空間信號可用性Fig.4 Signal-in-space availability

相同時段的數據分析了空間信號連續性，結果如圖5所示。結果顯示北斗三號系統所有衛星空間信號連續性整體統計優于99.99%/h。

圖5 空間信號連續性Fig.5 Signal-in-space continuity

利用同時段的廣播星歷計算了北斗三號一個回歸周期(7 d)全球格網點上的PDOP變化情況，統計可用性如圖6所示。可以看到北斗三號星座已經對全球實現了很好的覆蓋，在全球范圍的PDOP可用性為100%。

圖6 北斗三號PDOP可用性Fig.6 BDS-3 PDOP availability

利用iGMAS全球站(跟蹤站信息見www.igmas.org)2020年6月19日至25日的觀測數據，對B1I、B3I、B1C和B2a 4個頻點的單頻偽距單點定位精度進行了評估，結果見表2。可以看到B1C頻點全球定位精度均值水平方向1.31 m，垂直方向2.13 m。4個導航信號定位精度的差異主要由電離層改正精度引起，使用相同電離層模型的條件下(B1I和B3I使用相同的Klobuchar模型，B1C和B2a使用相同的BDGIM模型)信號頻率越高，電離層模型改正殘差越小，定位精度也就越高。

圖7 跟蹤站分布Fig.7 Location of stations

表2 全球跟蹤站定位精度

相應的定位可用性見表3，可以看到B1C頻點單頻偽距定位全球范圍的可用性為99.93%。

表3 全球跟蹤站定位可用性

以中科院國家授時中心UTC(NTSC)的10 MHz頻率信號和1PPS信號為參考，接收機和各類電纜時延經過測量和校準，利用2020年7月1日至8月31日數據評估得到北斗授時精度為14.7 ns(95%)，結果如圖8所示。

圖8 授時精度Fig.8 Timing accuracy

3.2 星基增強服務

利用2020年6月15日至21日的BDSBAS B1C電文，結合國內的北京、長春和武漢站數據對定位精度進行評估，結果見表4。可以看到3個站點定位精度水平方向均優于1.5 m，垂直方向優于3.0 m(95%)。

表4 定位精度評估結果(95%)

北京站的水平和垂直斯坦福圖分別如圖9(a)(b)所示。

圖9 BJFS站水平、垂直定位誤差保護級斯坦福圖Fig.9 Standord diagram of BJFS positioning error

利用相同時段的數據進行可用性、連續性和完好性分析，統計結果見表5。

表5 BDSBAS APV-I可用性

3.3 精密單點定位服務

利用2020年7月1日至7日期間北斗三號PPP信息，結合iGMAS國內站北斗三號B1C與B2a雙頻數據，仿動態進行PPP解算，結果見表6。可以看到，北斗PPP定位精度水平、垂直方向均在0.25 m以內，收斂時間優于20 min。

2019年7月4日BJF1站北斗系統PPP定位偏差時間序列如圖10所示。

表6 PPP定位統計結果

圖10 BJF1站北斗PPP位置偏差序列Fig.10 Time series of BJF1 PPP error

3.4 區域短報文通信服務

2020年5月11—13日，利用設置于北京的短報文終端開展了區域短報文通信性能測試，結果見表7，通信成功率優于99.6%。

通信容量方面，測試結果顯示，單波束工作的上行容量達到255萬次/h，下行容量達到53萬次/h， 等效系統服務容量上行為1530萬次/h，下行為935萬次/h。

表7 區域短報文通信成功率測試結果

3.5 全球短報文通信服務

2020年5月11—13日開展了全球短報文通信性能測試，通信成功率方面，共進行了1440次報文通信測試，成功次數為1389，成功率為96.46%。

通信容量方面，在平均有效電文200 bit場景下針對境內單星工作容量進行測試，單星上行容量優于2.86萬次/h，下行容量優于8000次/h，等效系統服務容量為上行40萬次/h，下行21萬次/h。

3.6 國際搜救服務

按照國際搜救衛星組織入網測試標準，開展了MEO-13/14、MEO-21/22、MEO-23/24共6顆衛星搜救載荷入網測試工作，測試項目共11項，指標見表8。

表8 搜救載荷主要指標

表8中“信標信號處理”依托美國馬里蘭中軌地面站(MEOLUT)完成，使用了信標模擬器和信號處理裝置。搜救終端發射的406.05 MHz的報警信號能正確地被北斗搜救載荷轉發至1 544.21 MHz，境外地面站能夠接收北斗搜救載荷的下行信號，MEO-13衛星的測試結果見表9。

表9 MEO-13衛星搜救性能測試結果

因載荷屬于透明轉發，信道中除了測試信號也存在其他業務信號，當測試信號發射功率較低時，強信號可能會覆蓋弱信號，導致接收到的測試信號數量下降。從表9結果可以看出北斗三號MEO-13衛星轉發到地面的有效信號接收比例優于98%(發射功率37 dBm)。

4 結束語

本文介紹了北斗三號系統定位導航授時、星基增強、精密單點定位、區域短報文通信、全球短報文通信和國際搜救服務，并給出了6類服務的性能評估方法，利用實測數據對系統各類服務的核心指標進行了評估，對照北斗系統服務性能規范，指標的實現情況見表10。

表10 指標匯總

總體看來，北斗三號系統定位導航授時、星基增強、精密單點定位、區域短報文通信、全球短報文通信及國際搜救服務各項指標均滿足北斗系統服務性能要求。星基增強定位精度等還有提升空間，后續系統需重點關注星基增強服務性能，從改進格網電離層延遲精度，拓展地面跟蹤站覆蓋范圍等方面入手，進一步提升星基增強服務的性能。