星基增强系统电文及播发特性研究

黄双临，辛 洁，2，王冬霞，2，刘 帅，郭靖蕾

（1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077）

随着卫星导航技术的发展及导航定位用户需求的不断提升，利用广播星历进行单点定位的结果已无法满足高精度用户对GNSS系统精度以及完好性的要求。因此，出现了码差分技术、地基增强、星基增强、网络实时动态差分法等多种差分修正技术。SBAS系统是依托于各个GNSS系统的增强系统，通过GEO/IGSO卫星向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对于原有卫星导航定位精度的改进，其构成要素决定了其服务覆盖的区域性。在跨覆盖区域飞行时，飞机同时搭载多套适用于不同SBAS系统的终端设备显然不现实，那么如何在不同的SBAS覆盖区域内使用相应SBAS提供的服务，并采用同一用户终端实现多SBAS服务的无缝衔接，即SBAS用户在全球范围内享有增强服务成为目前SBAS系统发展亟需解决的问题。

目前，以GPS为主建立的广域和局域增强系统（WAAS和LAAS）已经广泛用于航空精密进近，而且这些增强系统之间大多数已经实了互操作，为民用航空提供了近于无缝的精密导航服务[1]。卫星导航系统逐步在国民经济建设中占据重要的位置，是国家信息体系建设的重要环节，直接关系国家安全和经济发展。北斗星基增强系统从工程建设到运行维护，再到应用推广的各个环节，都亟需通过标准化手段进行组织协调和统一规范，以保障工程研制建设顺利开展，确保系统的稳定运行，规范并推动北斗广泛应用[2]。

北斗星基增强服务的建设是我国卫星导航事业自身建设和不断完善发展的内在需求，更是我国卫星导航系统标准化建设的必然要求。星基增强服务必将是北斗全球系统提供的重要服务之一，而星基增强互操作标准的研究与建立也将是完成我国卫星导航系统标准化建设的重要组成部分。同时，北斗星基增强信息标准体化研究能够为我们参与国际合作、占领国际市场提供基础和推广支撑。本文结合国内外星基增强系统发展现状，重点分析了SBAS互操作电文结构和播发策略，并根据北斗卫星导航系统研制建设的现状，分析了当前互操作标准需求的急迫性。

1 SBAS的发展及标准现状

最初的SBAS系统主要基于GPS进行建设，提供GPS差分修正信息以期对GPS信号性能进行增强，是一种利用地球同步卫星（GEO）作为通信媒介，提供差分GPS校正值和完好性数据的广域差分GPS系统。随着GNSS的广泛应用，SBAS逐步在向独立、自主、兼容的方向发展。现今典型的针对GPS增强的SBAS系统有美国的WAAS、欧洲的EGNOS、日本的MSAS、印度的GAGAN、俄罗斯的SDCM等。此外，EGNOS、SDCM还可提供针对GLONASS的增强信息。中国的星基增强系统和韩国的KASS（Korea SBAS）也在试验验证中。

各大SBAS的工作原理基本相同，主要对其服务区域实施广域差分和完好性监测，通过GEO卫星向用户播发导航信号和广域差分与完好性信息，从而提高GNSS在该服务区域应用的精度、完好性、连续性、可用性，以确保满足民用航空等用户的导航性能需求。国外已经公布的SBAS标准主要包括SC-159（Special Committee159）编制、RTCA批准的全球定位系统/星基增强系统航空设备最简操作性能标准RTCA DO-229D[3]和国际SBAS互操作工作组IWG（interoperability working group）于2014年发布的SBAS L5接口控制文件草案（SBAS L5 DFMC ICD）[4]。

RTCA是一个服务于航空航天电子系统的非盈利组织，以联邦顾问委员的身份出现，而非美国政府官方组织。除非美国政府机构依法授权，其建议并不能作为政府政策声明。IWG也是一个不隶属于任何国家的非政府组织，其建议并没有法律效力。因此，上述两份标准均为应用行业针对专业和专业领域自身需求而自行制定的标准。

我国针对北斗卫星导航系统相关的标准制定工作起步较晚，近几年才发布了空间信号接口控制文件（2.0版），北斗通信协议、北斗定位协议和北斗授时协议等标准文件。为实现军民融合深度发展战略，推动北斗卫星导航系统科学发展，我国于2014年批准成立了全国北斗卫星导航标准化技术委员会（简称“北斗标技委”），从国家层面实现了北斗卫星导航标准化工作归口管理，通过基础标准和应用标准两个层面为北斗卫星导航相关标准制定的开展提供指导和参考依据。

我国北斗卫星导航系统在导航电文设计之初就包含了增强服务信息，以对卫星轨道、时钟和电离层进行修正，并将修正参数通过GEO卫星广播给用户使用。因此，北斗区域卫星导航系统本身就带有广播伪距差分的功能，是一个卫星导航系统与星基增强系统统一筹划建设的系统。此外，为向中东部和华北地区提供分米级相位增强运行服务，北斗系统在原增强导航信息的基础上，正通过GEO向用户试验播发扩展的差分补充参数。我国虽在空间信号接口控制文件中对完好性、差分信息、格网点电离层信息等增强服务信息进行了简略定义和说明，但并不足以支撑增强用户端的研制与生产。因此，我国需在北斗标技委发布的“国家卫星导航系统标准体系”指导下，从SBAS电文设计、设备性能、操作特性、试验评估等多个维度开展对星基增强系统的标准研究。

2 星基增强电文设计分析

SBAS互操作标准体系研究是系统自身建设和不断完善发展的必然需要。现有的SBAS是作为独立的、区域性系统运行的，且其主要针对各自系统覆盖范围内的民航提供。但每个SBAS的GEO卫星地理覆盖范围远大于此SBAS系统的服务覆盖范围，且可能同时对多个系统可视。如何对航空用户实现交叉覆盖区域SBAS服务的无缝链接，成为SBAS服务性能提升必将考虑的问题。各大SBAS系统导航电文的设计思想基本一致，主要包含数据内容、差错控制编码、编排结构及播发方式等方面，但根据各自系统需求不同，各电文设计也存在一定的差异。

2.1 星基增强电文格式及内容分析

2.1.1 SBAS L1电文格式及内容分析

当前SBAS L1上的电文设计参照RTCA DO-229D协议标准，通过GEO卫星播发完好性及差分改正信息。

SBAS L1电文的每个数据块（或帧）为250bit，含前8bit为前导码，6bit电文类型标识、212bit数据块及24bit循环冗余校验码（CRC），以250b/s的基本数据率进行传输。表1列出了目前公开发布的主要电文类型（Message Type，MT）及定义。同时，为了保证不同信息类型所播发信息内容的关联性，采用多类数据版本号信息（Issue Of Data，IOD）对完好性及差分改正信息的可用性进行标识，具体这些版本号信息内容及与其他信息间的关系如下。

表1 SBAS L1的电文类型

表2 SBAS L1的数据版本信息

2.1.2 SBAS L5电文格式及内容分析

目前，各大SBAS系统都在开展由单频单系统向双频多系统的过渡，并成立了相应的工作组来论证SBAS L5互操作电文[5]。SBAS L5同样采用数据块的电文播发模式，但前导码仅为4bit，而数据为增加为216bit。表3、表4列出了目前公开发布的主要电文类型、数据版本号及定义，并通过图2标识了各类信息间的关联。

表3 SBAS L5的电文类型

表4 SBAS L5的数据版本信息

2.2 星基增强电文播发策略分析

RTCA DO-229D协议和SBAS L5接口控制文件草案中仅规定了各类信息的最大更新频度。各大星基增强系统均根据自身系统特性及信息关重度，制定了不同的播发策略。

表5 EGNOS/WAAS在一天内的MT时间序列

图1 EGNOS/WAAS一小时的MT时间序列图

图2 EGNOS/WAAS一天的MT时间序列

以EGNOS/WAAS为例，根据表5和图3、图4的统计情况分析，大部分信息无固定的播发次序，总的来说：

（1）完好性快变信息均以固定的更新频度固定播发，当前播发快变改正数和完好性的卫星数少于40颗。

（2）降效因子均以较为固定的更新频度进行播发，通过该类信息可实现快慢变改正数及电离层格网改正数的降效计算。

（3）GEO卫星星历及历书也以相对固定的播发频度进行播发，提供SBAS服务的GEO卫星在地固系中的位置、速度、加速度信息，以及种差和钟速信息，同时也包括参考时刻和精度指示标识（URA）。

（4）与EGNOS相比，WAAS并未常态播发与UTC的时差信息。理论上，SBAS网络时与UTC间的偏差小于20ns，与GPST间的偏差小于50ns。

（5）与EGNOS相比，WAAS播发电离层格网改正数的频度较为固定，在每个更新周期可播发375个格网点的电离层改正数，远小于全球格网点定义。因此，SBAS主要播发重点区域的电离层格网改正数。

2.3 星基增强电文处理方法分析

2.3.1 星历和星钟误差修正方法分析

早在1997年，斯坦福大学Parkinson就提出了将通过5个或5个以上基准站采集原始数据，并将星历、星钟和站钟在大的估计器里进行联合解算。随后，Enge P采用共视时间传递法将站钟偏差分离出来，进而将解算减少至四维（星历和星钟）。1999年，斯坦福大学和JPL研究小组共同对上述算法进一步改进，采用站间单差消去残余的电离层和对流层等共同误差，再利用星际双差消除基准站间的误差，先求解星历，再利用修正的星历解算星钟，现有SBAS系统普遍采用这种算法。德国的GFZ地学中心通过对几种算法的综合分析于2004年指出，以上几种算法实质上还是星历和星钟的统一解算，适用于中轨卫星星座，不大适用于中高轨结合的混合星座[6]。蔡成林[7]等人结合BDS混合星座特点，提出了一种将星钟和星历误差解算过程分离的新方法，从而将四维时空解算变为三维空间解算，有效提高了定位精度。

2.3.2 电离层延迟差分修正方法分析

电离层延迟是影响卫星导航测距和定位精度最重要误差源之一[8]。SBAS可通过多个连续运行的参考站观测数据对卫星导航信号的电离层延迟进行实时监测，并生成电离层差分修正数，从而修正用户的电离层延迟。SBAS通常采用格网修正法来修正电离层延迟[9]，其提供的电离层差分修正数是电离层格网点处的垂直电离层延迟估计。传统的电离层修正的格网修正方法，更多地借助电离层的经验模型（如Klobuchar模型、Bent模型、IRI模型），其计算精度不可避免地受到这一类模型本身精度的影响和制约[10]。

当前运行的SBAS系统主要采用三种方式针对每个电离层格网点进行垂直电离层延迟评估[11]：一种是三角格网插入的卡尔曼滤波方法（Solar-TRIN）。假设电子容量是固定的，通过电离层穿刺点测量的倾斜总电子容量（TEC）值，计算球型网格点上的TEC值；第二种是广泛应用于地质统计学的基于Kriging插入方法，该方法利用已知的样本值和设定的协方差函数（变差函数）来确定不同时间点和位置的未知值，充分利用TEC的空间相关性，并进行不确定性评估测量；第三种方法则考虑综合了以上两种方法的优势，使用变差函数考虑空间相关性。

2.3.3 完好性监测技术分析

完好性监测是实现系统故障监测和排除的有效手段，能够检验卫星导航定位服务品质。当前卫星导航系统三大完好性监测方法[12]为：一是外部增强方法，如广域增强系统、局域增强系统等在向用户播发误差改正数的同时也给出改正数的完好性信息；二是接收机自主完好性监测RAIM方法，利用导航卫星的冗余信息，实现多个导航解的一致性检验，以达到完好性监测的目的；三是卫星导航系统自身基本完好性监测和卫星自主完好性监测。

卫星钟是实现卫星导航定位系统精确定位的基础，其完好性监测主要是监测卫星钟差异常。因此，SBAS需对卫星钟的状态进行密切监测，适时作出故障钟排除、星载钟切换等操作。通常，卫星钟差异常可以通过星载原子钟的高精度频率或相位比对测量、动态Allan方差和基于滑动窗口的最小二乘拟合算法，并结合来二阶多项式模型、灰色模型、Kalman滤波器模型等多种卫星钟差模型实现，但实时性上大多难以满足系统需求。目前，SBAS完好性监测以EGNOS和基于GPS的SBAS的完好性概念最具有代表性。EGNOS结合自身系统完好性，可提供空间信号和完好性标志等完好性信息；基于GPS的SBAS结果广域增强技术和地面完好性监测技术，提出UDRE、GIVE等完好性概念。虽然二者概念不同，但均以观测方程的形式将误差通过空间几何关系到定位域的误差之上，使多星座间完好性信息等效利用成为可能[13，14]。对于DFMC SBAS系统完好性来说，因其包含综合信息完好性和用户端完好性监测两部分，故可考虑将上述三种方法相结合，在系统内部进行信息的完好性参数计算，同时在用户接收端辅助以接收机完好性监测算法。SBAS互操作的实现将能更好的支持民用航空各个飞行阶段的精度和完好性性能需求。

3 对SBAS电文设计的启迪

目前，我国在GNSS系统层面取得了系列的研究成果，为我国SBAS系统建设起到了积极的推动作用。然而，由于起步较晚以及GPS系统的先入优势，许多方面的研究尚处在试验论证层面，且高精度相位增强信息的算法设计还需进一步的系统化和深入化。尤其我国北斗卫星导航系统星座是由GEO、IGSO和MEO组成的混合星座，具备建设卫星导航与星基增强一体化系统的有利优势，但如何进一步利用GEO和IGSO卫星进行星基增强还需深入研究。因此，进一步深化研究和探讨适于我国卫星导航系统的星基增强技术，建立和完善星基增强体系，对促进我国卫星导航系统未来发展和多星座SBAS系统互操作实现有着积极的作用。综合分析SBAS研制建设经验，对SBAS互操作标准建设提出以下建议：

（1）导航信号设计标准。依据开放性和自主性原则，SBAS互操作标准建立应立足于所依附的卫星导航系统自身特点基础上，充分利用国内外现有的标准资源和研究成果，特别是SBAS信号频率、信息速率、测距码、调制方式、信号通量密度等主要参数设计均应与卫星导航系统基本导航服务相应频段的信号保持一致，初步确立信号的兼容性和互操作性。

（2）星基增强电文标准设计。参照RTCA DO-229D国际标准和SBAS L5接口控制文件草案，并根据地面运控段各项业务解算和用户需求，确定导航电文内容，并进一步根据电文长度、信息更新速率等确定导航电文结构和电文纠错编码方式，初步确立信息的兼容性和互操作性。

（3）星基增强电文处理标准设计。时空基准是进行各项业务解算的基础。在系统时间方面，各SBAS时应通过与UTC间的差值计算，获知其与其他SBAS间的时差。在空间坐标系方面，由于各大GNSS系统采用了不同的坐标框架，其相对偏差将影响各卫星星座的互操作。需通过在观测模型中设置互操作参数[17]，并将各SBAS系统间存在的坐标系统误差广播给用户。需要注意的是，各SBAS必须选择各自的参考卫星进行差分，才能消除坐标互操作参数的影响[15]。

在误差修正技术和完好性监测技术方面，现有标准仅支持航空设备最简性能操作，针对单频单星座、单频多星座、双频单星座、双频多星座的SBAS互操作技术还需进行深入地研究和设计。

星基增强互操作的设计应综合权衡的各方要素，并随着技术的发展，进行误差修正参数和模型的优化设计，并对SBAS互操作设计标准进行同步更新。

4 结束语

本文在综合分析了SBAS互操作设计的要素的基础上，从导航信号设计、星地传输信息和星基增强业务处理3个方面提出了SBAS互操作标准设计的意见建议。随着卫星导航互操作技术和星基增强技术的发展，各SBAS的设计结构和参数选择存在差异，但所涵盖的关键设计要素基本一致，进而可以总结归纳形成概要设计标准，为各SBAS系统兼容性和互操作性打下坚实基础，也为用户端的简化设计提供前提条件和重要支撑，引领全球星基增强服务的无缝发展。