SBAS监测站构成及部署方法分析

曲鹏程,刘翔,金彪,陈姗姗,夏川茹

(航天恒星科技有限公司,北京 100089)

0 引 言

全球卫星导航系统(GNSS)基本导航系统的服务性能尚不能满足ICAO附件10卷I中APV至CAT-I段飞行引导要求,尤其在导航服务完好性和告警时间方面．因此,以美欧为代表的多个国家和地区已先后完成星基增强系统(SBAS)的建设,以提高基本导航系统的服务性能．已建成或规划建设的SBAS服务范围可参考文献[1]．根据SBAS服务范围可知,如图1所示,北半球中国区域尚属空白,亟需建设北斗星基增强系统为中国及周边地区以民航为代表的用户提供高完好性服务．

图1 SBAS系统及其服务范围

SBAS主要组成部分类似,包括空间段、地面段和用户段三部分．空间段是由地球同步轨道(GEO)卫星构成;地面段包括监测站、主控站、注入站和通信网络;用户段是由能够接收SBAS信号的终端设备构成．其中,地面段中的监测站为SBAS系统提供数据基础,其构成及分布将会直接影响SBAS服务性能[2-9]．因此,有必要依据现有的成熟SBAS监测站建设情况,分析监测站的构成及其部署方法,为未来SBAS的监测站建设提供参考．

1 监测站构成及分布

在已建成或规划建设的SBAS中,美国的WAAS与欧洲的EGNOS最为典型,系统建设信息最为全面．本节以这两个系统为基础,详细分析SBAS监测站的主要设备构成及其分布的特点．

1.1 WAAS参考站

WAAS参考站网由分布在美国、夏威夷、波多黎各、阿拉斯加、加拿大和墨西哥等地的38个广域参考站(WRS)构成[2,9]．如图2所示，每个广域参考站(WRS)包含三套设备(WRE),分别称为WRE-A、WRE-B和WRE-C,每套设备独立地收集卫星数据．每套设备由一个WAAS接收机、一个铯原子钟、一个数据采集处理器(DCP)组成[10]．

利用NSTB在网站FTP发布的参考站坐标文件[11]以及相应的地图信息,通过计算可知WAAS参考站大部分建在机场内部或附近,其中34个参考站建在机场5 km范围内,其中22个站建在机场内,最远距离机场17.4 km．WAAS参考站站点之所以选择在机场附近的原因是WAAS由FAA主导,直接利用现有机场基础设施,管理完善,成熟度高,降低建设成本;机场具备完善的电磁环境监测手段,能够有效保障系统安全运营．

1.2 EGNOS监测站

EGNOS地面监测站网由39个监测站(RIMS)构成,其分布情况如图3所示．每个监测站有一个原子钟,选用铷钟或铯钟,所有监测站的原子钟共同维持独立的时间系统．每个监测站由2个或3个通道(A/B或A/B/C)构成,每个通道包含天线、接收机、核心计算机．RIMS-A、RIMS-B通道中一路数据用于差分改正计算,另一路数据用于比较和完好性监测,RIMS-C通道具备信号质量监测(SQM)功能[12]．

图3 EGNOS监测站分布图

图4所示绿色站点表示该监测站含双通道A/B,一路数据用于差分改正计算,一路数据用于比较和完好性监测．红色站点表示该监测站含三通道A/B/C,C具备SQM功能．

图4 两种监测站分布情况

利用strsvr软件访问EGNOS监测站NtripClient返回的SourceTable中监测站的位置信息以及相应的地图信息,通过计算可知EGNOS监测站大部分建在机场内部或附近．其中,25个监测站建在机场5 km范围内,20个监测站建在机场内部,EGNOS监测站距离机场的最远距离为61 km．

1.3 小 结

通过上述分析可知,WAAS与EGNOS地面监测站构成的设计都使用了至少两套独立的数据采集通道(WAAS参考站采用3套独立数据采集通道,EGNOS监测站采用2套或3套独立数据采集通道),每套独立通道的基本组成包括1台监测接收机、1台计算机以及1台原子钟．因此,未来建设SBAS时,地面监测站可以以3个独立的卫星数据采集通道,每个通道包含1台监测接收机(含天线)、1台计算机以及1台原子钟的设计作为参考．

此外,WAAS与EGNOS参考站大部分建设在机场内部及其附近区域,主要考虑的因素为可以利用现有机场基础设施,管理完善,成熟度高,降低建设成本;机场具备完善的电磁环境监测手段,能够有效保障系统安全运营．因此,SBAS地面监测站的站址选取可以参照以下原则:1)当具备机场建设条件时,将SBAS监测站建设在机场内部;2)当不具备机场建设条件时,SBAS监测站的站址尽量靠近机场．

2 监测站部署

通过第1节内容可知,SBAS监测站的核心设备包括3个独立的卫星数据采集通道,每个通道包含1台监测接收机(含天线)、1台计算机以及1台原子钟．监测接收机天线的部署将会影响不同数据采集通道之间卫星数据采集的独立性．因此,本节将以WAAS为参考,利用实测数据对所有站点天线间距离和构型、监测站观测数据质量以及不同天线间多路径相关性等方面开展详尽分析,进而得出适用于SBAS监测站天线部署的一般方法．

2.1 监测站天线分布

根据NSTB在网站FTP发布的每个广域参考站3个天线的坐标文件(nstb-XYZ.cfg)[11],各个参考站的天线分布情况如图5所示.

根据图5分析可知,WAAS参考站天线距离平均值为8.95 m,70%天线距离<9.3 m,80%天线距离<12.2 m,最大距离41.3 m;除了少数参考站天线的构型为钝角三角形或直线,大部分参考站天线的构型为锐角三角形或直角三角形．具体天线距离和构型与周围环境、占地面积相关,同时需降低多路径相关性的干扰．因此,在场地空间允许的情况下,参考站天线的构型建议采用锐角三角形或直角三角形,而不同天线之间多路径相关性将会在后续进行分析．

图5 WAAS广域参考站天线分布

2.2 监测站数据质量分析

本文采用2019年年积日216～222 WAAS系统的wfai、wotz、wzkc以及wztl四个参考站的实测数据进行数据质量分析,此四个参考站的数据包含了完整的3路不同数据采集单元的卫星观测数据,数据下载地址见文献[11]．

首先利用斯坦福大学网站提供的SGMP软件对下载的参考站数据解码,然后使用自主开发的程序(SGMP2RINEX.m)将解码完成的数据转换成RINEX文件,利用TEQC软件完成数据质量的分析．

各参考站观测数据质量评估基于TEQC软件[13-14]给出的指标,包括反映观测数据多路径影响水平的指标MP1、MP2,反映观测数据接收完整情况的指标“实收-应收观测比”[14-17]以及反映观测的数据中跳变数量的指标“观测-跳变比”(o/slps)[15-18]．

各指标的合格阈值将优先按照国家标准[18]进行设定,其中MP1、MP2值上限设为0.5 m和0.65 m;“实收-应收观测比”的下限设为95%;而对于o/slps,由于其阈值在国家标准[19]中并没有明确给出,经对被测站点全年o/slps值的统计分析可知该值主要分布区间为(0,30000),考虑该值越大越优的特点,取该范围内最小的5%,即o/slps值小于1500为未达标．具体情况如表1所示．

表1 数据质量评估指标阈值

根据图6统计分析,wfai、wotz、wzkc以及wztl参考站三路独立观测数据的“实收-应收观测比”、o/slps、MP1与MP2的统计结果如图6、图7、表2所示．

图6 参考站观测数据完整率

根据图6统计分析,wfai、wotz、wzkc以及wztl参考站三路连续7天观测数据的“实收-应收观测比”均超过99%,数据观测完整程度较高且稳定．仅wfai参考站的wfaip3路观测数据的完整程度相对较低,说明数据中含有较多跳变．

根据表2所示的统计分析,wfai、wotz、wzkc以及wztl参考站三路连续7天观测数据的o/slps数值总体上大于阈值1500．仅在年积日21天,出现了wfai与wotz参考站三路观测数据的o/slps值小于阈值的情况,之后o/slps值重新满足了指标评估要求．此现象的出现,可能是由于环境干扰导致接收机发生了较多的周跳．

图7 参考站观测数据MP1/MP2统计

根据图7的统计分析,四个参考站中仅wotz站的MP1统计值小于阈值上限,其余三个参考站的MP1统计值均大于阈值上限．但是,wfai、wzkc与wztl参考站的MP1统计值很稳定,在连续7天的时间段内几乎未发生变化．由于多路径的产生与参考站周边的环境密切相关,因此可以通过改善观测环境来减小多路径的MP1统计值．同时,四个参考站的MP2统计值均小于阈值上限．

2.3 监测站多路径相关性分析

利用监测站数据质量分析生成ele、MP1与MP2文件,采用自主开发的程序(PlotMP12-OneWRS.m)对wfai、wotz、wzkc以及wztl参考站3路数据之间的多路径相关性进行分析．

本文多路径相关性的分析采用常用的皮尔逊相关系数计算方法．皮尔逊相关系数法是一种准确度量两个变量之间的关系密切程度的统计学方法,其大小可以反映两个变量间线性相关程度的强弱．对于变量A=[A1,A2, …,An]T,B=[B1,B2, …,Bn]T,皮尔逊相关系数的计算公式为[20-21]:

一般情况下,|r|≥0.8时,可视为高度相关; 0.5≤|r|<0.8时,可视为中度相关;0.3≤|r|<0.5时,可视为低度相关;|r|<0.3时,说明两个变量之间相关性极弱,可视为非相关[22]．

依据上述相关性计算方法,本文以wfai、wotz、wzkc以及wztl参考站3路数据中所有卫星的多路径MP1和MP2为计算变量,分别统计了连续7天每天每个参考站3路数据每两路之间多路径MP1和MP2的相关系数平均值,具体结果如图8和图9所示．

图8 MP1相关系数统计

图9 MP2相关系数统计

根据图8与图9相关性统计分析可知,wfai、wotz、wzkc以及wztl参考站3路数据每两路之间所有卫星多路径MP1和MP2的相关系数的均值均小于0.1,满足相关系数|r|<0.3的条件,说明SBAS参考站3路数据每两路之间的多路径非相关．

2.4 小 结

本节内容以WAAS参考站实测数据为基础,对SBAS监测站天线的分布、监测站数据质量以及监测站多路径相关性进行了统计与分析,可以得出SBAS监测站天线部署时,依据场地条件的限制,以锐角或直角三角形的构型最佳,并尽可能地增加天线间的距离,使不同天线之间观测数据多路径非相关．同时,监测站的数据质量也需要满足相关阈值的限制．

3 结 论

本文以WAAS和EGNOS公布的系统信息以及实测数据为基础,利用斯坦福大学网站提供的SGMP软件,以及TEQC软件对实测数据进行计算．通过上述的统计分析,得到适用SBAS监测站构成及部署的通用方法．具体如下:1) SBAS监测站应建设在机场内部或附近区域,附近区域的距离以5 km为参考;2) SBAS监测站应配置3个独立的卫星数据采集通道,每个通道包含1台监测接收机(含天线)、1台计算机以及1台原子钟;3) SBAS监测站的天线构型应采用锐角三角形或直角三角形,天线间的距离以9 m为参考;4) SBAS监测站的环境应使观测数据质量评估指标满足“实收-应收观测比”≥95%、o/slps大于等于1500、MP1≤0.5、MP2≤0.65阈值的限制;5) SBAS监测站3路数据间多路径相关系数统计值应小于0.1．上述方法可以作为新建SBAS中监测站选址及核心设备配置的参考,为SBAS监测站的建设提供有效的实施依据．