北斗星基增强系统的参考站布站设计与分析*

刘瑞华，吕吉方

（1.中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300；2.民航航空器适航审定技术重点实验室，天津 300300）

0 引 言

目前，全球卫星导航系统（GNSS）在交通运输、海洋渔业、测绘地理信息、森林防火、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到社会生产和生活的方方面面。但是，单独依靠GNSS系统无法满足某些高精度导航定位应用的需求。美国联邦航空局[1]针对航空应用最早提出和建设增强系统，美国的星基增强系统称为广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）。星基增强系统（Satelite Based Augmentation Systems，SBAS）已成为 GNSS的重要组成部分之一，通过布置合理的地面参考站采集数据，借助地面数据传输网络汇聚到主控站进行处理数据获得各种修正信息，并通过注入站发送到地球同步卫星为覆盖区域的用户提供服务。当前，星基增强系统的重要性越来越明显，已成为所有全球系统的标准配置工程。

美国已于2003年7月10日建成WAAS系统[2]并投入使用，大大提升了GPS系统的服务性能和质量，拓展了应用范围与领域。其他星基增强系统还有欧洲地球静止导航重叠服务（European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS）（欧洲）、多功能卫星增强系统（Multi-Functional Satellite Augmentation System，MSAS）（日本）、GPS辅助地基增强导航（GPS Aided Geo Augmented Navigation，GAGAN）（印度）和差分监测系统（System of Differential Correction and Monitoring，SDCM）（俄罗斯）。星基增强系统和核心卫星座结合，能支持离场、航路、终端区和进近运行，包含Ⅰ类精密进近，主要用于航空领域[2]。地理条件差的地区，性能达到的等级取决于SBAS基础建设以及当地电离层的状况。

北斗星基增强系统是北斗卫星导航系统的重要组成部分。文献[3-6]等对我国星基增强系统的地面参考站布局和未来发展建设进行分析研究；何玉晶等[7]基于中国地壳运动监测网的情况，分别分析了16个和20个站点的电离层穿刺点数量；翟稳科[8]等对15个站布局的精度进行分析，指出中国正在按照国际民航标准开展北斗星基增强系统设计、试验与建设。参考站是星基增强系统的主要基础设施，它们的数量及分布关系到星基增强系统的地面数据传输网络的建设与差分改正数的精度，直接影响定位精度。本文对北斗SBAS参考站布设方案的原则及影响因素进行研究分析，给出了地面参考站布设方案的建议。

1 星基增强系统简述

1.1 星基增强系统基本组成与原理

星基增强系统主要由三部分组成：第一是地面部分，包括参考站（Worldwide Reference System，WRS）、主控站（Wide area Master Station，WMS）和注入站（Ground Uplink Station，GUS）；第二是空间部分，包括导航卫星和地球同步卫星；第三是用户部分，接收GEO卫星广播的改正数和完好性信息的增强接收机。

各个地面参考站监测全部可见星，采集GPS/GEO卫星及气象设备的观测数据并对所采集的数据经过预处理后，将监测数据通过地面通信网络发送至主控站。主控站利用收集的数据，计算各项误差校正信息和完好性信息。其中，误差校正信息包括卫星钟差、卫星星历和电离层格网点垂直延迟，完好性信息包括用户差分距离误差（User Differential Range Error，UDRE）、格网点电离层垂直改正误 差（Grid point Ionospheric Vertical delay Error，GIVE）和区域用户距离精度（Regional User Range Accuracy，RURA）等，由主控站产生的信息送至注入站，按照导航电文格式化后上传到GEO卫星。GEO将改正信息通过卫星通信链路发送给服务区域内的用户，用户接收到北斗卫星和星基增强系统的完好性状况，并根据接收的误差校正信息和北斗卫星的观测数据得到精确的定位和导航参数。

1.2 WAAS系统介绍

美国的广域增强系统（WAAS），从1994年开始研制覆盖全美国的GPS增强系统，2003年7月建成，达到了初始运行能力。2007年9月，在加拿大和墨西哥增加了9个国际广域参考站，现有38个参考站（WRS），3个广域主控站（WMS），3颗GEO卫星，6个上行注入站（GUS）以及2个操作控制中心。其中，有20个参考站位于美国本土，4个位于加拿大、1个位于夏威夷、7个位于阿拉斯加、1个位于波多黎各，5个位于墨西哥地区。

WAAS的主要功能包括：

（1）采集GPS卫星数据；

（2）确定GPS信号电离层延迟、卫星轨道校正参数、卫星钟校正参数；

（3）监测GPS卫星完好性；完成数据独立验证；

（4）提供WAAS广播数据和测距信号；

（5）完成WAAS系统的维护与操作。

美国的WAAS服务区域由美国国内扩展至了加拿大和墨西哥，提高了GPS的精度、完好性、连续性和可用性，主要为美国民用航空服务。所提供的卫星导航信号能支持从航路至Ⅰ类（CAT-Ⅰ）精密进近的导航，而局域增强系统覆盖半径为30英里左右的区域，提供往上支持CAT-Ⅱ/Ⅲ的精密进近能力。广域增强系统和局域增强系统结合，能为用户提供航空飞行各阶段的导航能力。

2 参考站布站分析

在广域差分技术中，主要误差源是星历误差、星钟误差、电离层延迟误差、对流层误差、接收机噪声与多路径效应等。地面参考站的作用是生成广域差分改正数，包括星历、星钟和电离层误差的观测改正数。参考站布设需要满足动力学定轨精度、钟差解算精度、电离层修正精度和建设费用等。依据这些要求与监测站布设位置及几何布局之间的关系，监测站优化设计指标可分别用几何定轨DOP值、定轨精度、钟差解算精度、电离层改正精度、卫星可视性指标和建设与维护成本等。卫星的星历误差、星钟误差与参考站的位置和数量无关，本文重点从以下指标建设研究北斗星基增强系统的地面参考站。

2.1 几何定轨条件分析

参考站对星座的几何定轨一般通过计算可见星的位置精度因子（Dilution of Precision，PDOP）值[9]实现。PDOP值表示用户等效距离误差到最终定位误差的放大系数，反映参考站监测网几何位置对定位误差的影响。GDOP值是衡量定位精度的一个重要系数[10]，值越大，定位误差越大，定位精度就越低。对于地球静止同步卫星，一般利用它在定点位置处与地面参考站对应的PDOP值描述。一般情况下，DOP值越小，对应的几何定轨条件越好。

当用码伪距观测量进行定位时，观测站在某一历元同时跟踪4颗以上卫星时，系统定位误差方程为：

根据最小二乘法平差求解，可得：

协因数矩阵Q为：

常用到的DOP值可表示：

2.2 卫星可视性分析

为了卫星导航系统在服务区内的服务具有稳定性能，参考站对空间星座的监测具有重要作用。由于测站周围环境和大气层折射等因素的影响，当卫星运行到参考站所在水平面以上空间时，观测仰角很小时，用户接收机接收到的观测值精度往往无法保证。因此，实际观测中一般会设定5°的最小仰角，并认为超过该仰角的观测数据才有效，可用于进行卫星定轨和导航定位。显然，参考站可监测到的卫星数目[11]越多，时间越长，对系统的精度和完好性监视等相关指标越有利。观测弧段的长短，已经成为衡量参考站监测网性能的一个重要指标。几何定轨法作为卫星实时定轨的一个重要手段，最基本的要求是同一时刻至少要求有5个或以上的参考站监测到同一个卫星。因此，参考站监测网所提供的几何定轨的弧段长度作为设计的一个约束条件，直接关系到几何法定轨能够实现的实现时间段和相关的DOP值变化。

2.3 电离层格网点延迟特性分析

FAA要求美国的WAAS系统的定位精度指标小于7 m，电离层格网误差小于2 m。我国建立的北斗星基增强系统要求定位小于5 m。袁运斌[12]等人用格网法对电离层改正精度小于0.7 m，满足广域差分的系统指标。电离层距离地面的高度是375 km[13-14]，参考站的分布决定了电离层穿透点（Ionospheric Pierce Point，IPP）的有效数目、密度及分布位置等。因此，对我国陆地区域（东经70°到140°，北纬10°到55°），通过分析5°×5°网格内参考站上方的电离层穿刺点个数是否满足一个及以上要求。主控站综合分析处理各参考站的导航信息后，进行计算和播发160个固定格网点上的垂直电离层延迟值[15]。用户通过计算对应的北斗卫星的穿透点的经纬度，结合格网点电离层垂直延迟数据，按照三点内插或者四点内插算法计算出用户端的电离层延迟值。

电离层穿刺点（IPP）位置计算，以ψ表示用户和电离层穿刺点之间的地心张角，单位为rad，计算公式为：

式中，E表示卫星高度角，单位为rad；Hion表示电离层薄层高度；Re表示地球半径（取6 378 km）。电离层穿刺点在地球表面投影的地理纬度φg和地理经度λg的计算公式为：

式中，φu表示接收机地理纬度，λu表示接收机地理经度，A表示卫星方位角，单位为rad。

3 参考站布站设计与合理性分析

地面参考站在服务区域内需要良好的几何结构和均匀分布，以保证最大范围跟踪卫星，提高差分改正精度。目前，我国广域差分增强系统还不完善，星基增强系统的地面参考站和数据通信网络尚未建成，先采用中国地壳监测网络的基准站布局和数量，模拟分析我国北斗星基增强系统的参考站布局。参考站的一般跟踪监测区域的半径是300～1 000 km。在区域一定的情况下，参考站数量越多，差分改正数的精度越高，相应的建设成本和维护成本也越高。当地面参考站密度增加到一定程度时，再增加数量对改正数的精度提高作用不大。综合考虑广域实时精密定位技术[16]对参考站精度指标要求和布局遵循的约束条件，确定以下25个城市作为星基增强系统的地面参考站的站点进行合理性分析。所选的25个站点分布如图1所示，分别为鼎新（DXIN）、德令哈（DLHA）、西宁（XNIN）、盐池（YANC）、泸州（LUZH）、下关（XIAN）、昆明（KMIN）、西安（XIAN）、海拉尔（HLAR）、长春（CHAN）、绥阳（SUIA）、北京房山（BJFS）、泰安（TAIN）、武汉（WUHN）、上海（SHAO）、厦门（XIAM）、广州（GUAN）、琼中（QION）、塔斯库尔干（TASH）、乌鲁木齐（RURM）、拉萨（LHAS）、青岛（QDAO）、郑州（ZHNZ）、哈尔滨（HRBN）。

图1 北斗星基增强系统的25个参考站分布

利用北斗接收机获取北斗历书数据，选取观测时刻为2018年10月12日0时至10月14日0时，卫星高度角选取5°。对所选的25个监测站进行上述指标的计算和分析，从中国东北、华东、华南、华北、西北和西南地区各选取一个城市，

各参考站的DOP值计算情况如表1所示。

表1 参考站的北斗卫星可见数与DOP值统计

对北斗PRN编码1～17的可见星观测持续时长，分别如图2～图7所示。

在中国大陆区域的每个参考站内，48 h的卫星可见数平均数大于10颗，最少的可见星数不低于9颗，大部分地区的可见星平均数在12颗以上；每个卫星在同一时刻有5个或以上的参考站被监测，GDOP平均值小于3，PDOP平均值小于2。结果表明，北斗系统能很好地覆盖中国大陆区域，可提供理想的DOP值，满足北斗星基增强系统要求。

图2 哈尔滨参考站可见星持续时长

图3 青岛参考站可见星持续时长

图4 武汉参考站可见星持续时长

图5 广州参考站可见星持续时长

图6 乌什参考站可见星持续时长

图7 西藏参考站可见星持续时长

从连续观测的24 h中，选择某观测时刻，计算中国陆地区域的25个地面监测站的电离层穿刺点位置分布，并且统计每个格网的穿刺点数量，结果如图8、图9所示。

图8 25个参考站上空电离层穿透点分布

图9 中国地区上空每个格网内穿透点数量统计

图8 中三角形表示地面参考站位置，菱形表示穿刺点位置。图9中用灰色表示中国陆地区域格网。基于现有的25个地面参考站数量和布局，经过较长时间观测，穿透点的分布规律基本一致。从穿刺点分布可知，东部、中部和南部地区分布密集，东北和西北部分布稀疏。在我国陆地地区上，基本可以满足每个格网有一个及以上的穿刺点，满足电离层格网点修正的精度要求。但是，边缘地区格网数量大大减少，会导致冗余度不够，改正精度降低。参考站分布分散，参考站与卫星的高度角变小，穿刺点数也减少，改正误差会增大，影响部分区域的电离层改正数的精度。

4 结 语

我国在北斗星基增强系统实际建设中，应充分考虑北斗系统已有的地面监测站，全球连续监测评估系统地面监测站，综合利用各类地面站布设情况，充分利用现有的资源和数据通信网络，缩短建设周期，减少投入成本，综合国内监测站数据实时进行改正。对于现在的监测站也可配备北斗星基增强系统接收机，或者把原有的接收机更换成多频多系统监测接收机，升级系统，解决不同系统同步观测的问题，并利用现有的各个数据通信网络基础，建设北斗星基增强系统的地面通信设施。针对中国地壳运动观测网中的25个参考站分布，北斗接收机数据计算结果表明，满足北斗星基增强系统对几何定轨、卫星可见星数和电离层延迟改正的指标要求，故25个参考站的分布是合理的。中国西北部地区导航定位精度比沿海地区低，中国南部地区处于低纬度区域，城市机场数量较密集，电离层赤道异常明显影响上空的电离层分布。因此，参考站布设密度可以适当比其他区域高。为了覆盖中国沿海和周边地区，未来可以在海外增设地面参考站，类似WAAS系统，全球布站。提高电离层穿刺点数量，增强电离层延迟改正精度，扩大覆盖区域范围，为更多的用户提供更好的卫星导航服务。