BDS卫星空间信号异常探测及性能评估方法研究

范丽红

中国科学院国家授时中心，陕西 西安 710600

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的空间信号异常会对用户的导航定位性能产生影响。异常信号的探测和性能评估对广播星历播发的空间信号(signal-in-space,SIS)的连续性、可用性和完好性等显得尤为重要。

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)，除与其他导航系统类似，不可避免地存在未被监测的空间信号异常外，由于星座构型的特殊性，地球静止轨道卫星(GEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)还存在较频繁的轨道机动，此时，卫星广播星历播发的位置信息与卫星真实的轨道不符，同样会导致空间信号异常。在现有ARAIM(advanced receiver autonomous integrity monitoring)研究中，BDS卫星故障分配和故障率均是保守估计值，与实际不符，导致在应用时存在一定风险。因此，如何准确探测BDS卫星轨道机动、卫星钟和轨道误差等引起的空间信号异常，为用户提供准确的系统可用性和连续性评估指标就显得尤为迫切。基于此，本文针对上述问题开展了系统研究，主要成果如下：

(1) 系统研究了BDS卫星轨道机动的调控手段及轨道机动对轨道根数的影响，提出了一种基于ROOTA和健康状态标识的BDS卫星轨道机动探测方法，并通过2015年的广播星历数据获取了BDS卫星的轨道机动周期及轨道恢复时长。

(2) 研究了BDS卫星轨道机动对服务性能影响，特别是GEO卫星轨道机动对BDS系统在非精密进近(non-precision approach,NPA)阶段的RAIM可用性影响。仿真结果表明，若各GEO卫星在UTC 07—08 h和15—16 h发生轨道机动，BDS在亚太区域的服务可用性最大降低至97.8%；由实际的轨道机动时段分析发现，C04卫星在UTC 14—23 h和C05卫星在00—05 h的轨道机动使得BDS在亚太区域的RAIM可用性低于99.9%，两颗卫星的影响范围主要为亚太区域上下两端的边角部分。

(3) 针对目前传统精密星历比较法用于BDS卫星空间信号异常探测时，存在阈值难以确定和易受钟差粗差污染问题，研究提出了一种改进的精密星历探测空间信号异常方法。改进方法首先采用中位数法探测钟差粗差，避免钟差基准粗差污染空间信号误差；其次采用初始经验阈值结合截尾数据SISRE(signal-in-space range error)真误差进行两步阈值策略探测空间信号异常。2015—2016年的探测试验结果表明，改进方法能有效避免卫星粗差导致的星座故障。

(4) 提出并建立了一种基于多监测站实时数据的空间信号异常实时探测方法，在接收机钟差求解和IURE(instantaneous user range error)的计算与统计均提出了新的处理策略，较好地解决了现有利用观测数据探测空间信号异常需要用到精密星历的问题。利用2015年1月的空间信号异常实时探测的算例结果表明，对多监测站数据采用改进方法可有效排除接收机端故障，新方法能实时准确探测空间信号异常(包括轨道机动)的起止时刻。

(5) 首次分析归纳给出BDS卫星空间信号性能评估时的四类故障模式(与卫星服役周期有关的长期故障，与卫星轨道机动相关的维护故障，与卫星随机可修复异常相关的短期故障，以及三类故障综合影响的等效故障)，并获取了各类故障的平均故障间隔(mean time between failure,MTBF)和平均修复时间(mean time to repair,MTTR)，进而评估了BDS卫星空间信号的可用性和连续性。