QZSS亚米级增强服务和MSAS增强定位性能评估

2020-09-23郝茂森贾小林焦文海

导航定位与授时 2020年5期

郝茂森，贾小林，曾添，焦文海

(1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054；2.西安测绘研究所，西安 710054；3.信息工程大学地理空间信息学院，郑州 450001；4.北京跟踪通信技术研究所，北京 100094)

0 引言

准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)是由日本政府和企业联合建立的新一代区域卫星导航系统。2018年11月1日，日本政府宣布QZSS正式运行。QZSS能够独立地为日本区域内的用户提供定位、导航和授时(Posi-tioning, Navigation and Timing, PNT)服务，同时也包括其他服务，如亚米级增强服务(Sub-meter Level Augmentation Service，SLAS)、厘米级增强服务、灾难和危机报告服务和QZSS安全确认服务等[1]。

星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)通过地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)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，从而实现用户定位精度的提高。目前，全球已经建立起了多个SBAS，如美国的广域增强系统(Wide Area Augmentation System，WAAS)、俄罗斯的差分校正和监测系统(System for Differential Corrections and Monitoring，SDCM)、欧洲的地球同步卫星导航增强服务系统(European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS)、日本的多功能卫星星基增强系统(Multi-functional Satellite Augmentation System，MSAS)等，中国目前已经开始建设北斗星基增强系统(BDSBAS)。

不少专家学者对QZSS的SLAS和MSAS的星基增强系统进行了研究。楼益栋等分析了QZSS的L1-SAIF信号在中国区域的增强性能[2]，L1-SAIF能达到与SBAS相同的解算精度，用户测距误差(User Range Error，URE)约0.5m，定位解算平面精度在1m以内，高程精度约1.2m。张琳和江永生研究了QZSS的L1-SAIF信号增强全球定位系统(Global Positioning System，GPS)的性能，L1-SAIF信号能够显著提升GPS实时导航的精度[3-4]。刘翔等研究了WAAS和MSAS的增强定位性能，建议距离服务区远的地方，电离层改正采用Klobuchar模型，轨道钟差采用SBAS改正[5]。雷艳等研究了青岛市北湖区的MSAS单点定位精度，MSAS对GPS单点定位具有一定的增强效果，且比较稳定[6]。

但针对日本SLAS的研究仍然较少，SLAS和MSAS服务区内外的定位精度、服务区外的适用性仍需研究。本文主要介绍了日本的SLAS和MSAS，并利用实测数据对比分析了两种定位增强服务在日本境内和中国及周边地区的定位精度及其定位增强性能。

1 SLAS和MSAS

1.1 SLAS

SLAS在QZSS卫星的L1频段上调制L1S信号，中心频率为1575.42MHz，频率带宽为24.0MHz，通过播发改正数对用户定位精度进行增强。播发协议采用RTCA协议，传输速率为250bit/s，信息储存在专属于L1S信号的SBAS信息类型(MT43-44，47-51)中，信息类型如表1所示[7]。每则电文包含前8bit的前导码、6bit的电文类型标识、212bit的数据块及24bit的循环冗余校验码(Cyclical Redundancy Check, CRC)。L1S电文可在QZSS官方网站(https://sys.qzss.go.jp/dod/en/archives/slas.html)下载。

表1 L1S 信息类型

信息类型(Message Type，MT)43和44的内容为灾难和危机报告信息;MT47为日本境内设置的13个地面监测站的信息，不同的监测站观测并生成差分信息上传至QZSS卫星，以供日本境内及其周边地区的用户使用;MT48为卫星的PRN掩码信息，通过PRN掩码可以确认该时刻能够被增强卫星的PRN号;MT49为MT48对应的卫星的IOD号;MT50为MT47中13个监测站上传的差分信息，不同监测站上传的差分信息不同,在进行SLAS定位时，需要用户选择距离最近的监测站的差分信息进行改正;MT51为卫星健康状况信息，一般情况下不播发，当接收到该信息类型时，需要根据信息内容排除相应的不健康卫星。

1.2 MSAS

MSAS由日本民航局负责建设，是基于2颗多功能卫星的GPS星基增强系统，于2007年9月27日正式运行[8-9]。MSAS空间段由2颗GEO卫星组成，卫星信息如表2所示，地面段由2个主控站、6个地面监测站和2个监测及距离修正站组成。

表2 MSAS卫星信息

MSAS电文形式采用RTCA协议，通过GEO卫星播发完好性及差分信息。电文传输速率为250bit/s，每则电文包含前8bit的前导码、6bit的电文类型标识、212bit的数据块及24bit的循环冗余校验码[10]。MSAS主要电文内容如表3所示，可在网站(https://www.enri.go.jp/cnspub/sat/data/msg/)下载。

表3 MSAS电文信息

2 SLAS和MSAS的改正算法

2.1 SLAS的改正算法

SLAS是对伪距进行改正，然后使用改正后的伪距进行定位。

1)对观测值进行载波相位平滑伪距

采用式(1)进行载波相位平滑伪距[11]，进行周跳探测但并不修复，遇到周跳则重新滤波

(1)

式中，Pn为预测伪距；PR为观测值伪距；Ps为载波平滑后的伪距；α为权重因子。

2)MT50差分信息的使用

(2)

(3)

式中，ri为用户到卫星的几何距离；dtsi和dtri分别为卫星钟差和接收机钟差。

采用最小二乘法计算用户位置S为

S=(GT·W·G)-1·GT·W·dPcorrected

(4)

(5)

式(5)中，W为权阵；G为观测矩阵。其中方差与用户到监测站的距离有关，如式(6)所示

(6)

2.2 MSAS的改正算法

MSAS的改正主要包括卫星位置改正、卫星钟差改正和电离层延迟改正[12-13]。

1) 卫星位置改正

(7)

2) 卫星钟差改正

根据SBAS电文中卫星钟差的差分信息修正t时刻广播星历得到的卫星钟差dt，得到改正后的卫星钟差dtcorr。设Δtfast为差分信息中的钟差快改正量，Δtf0和Δtf1为钟差慢改正量，则t时刻的改正后的卫星钟差为

dtcorr=dt+Δtfast+(Δtf0+Δtf1(τ-t))

(8)

3) 电离层延迟改正

SBAS的电离层延迟改正采用电离层格网改正法进行改正。

3 算例分析

为评估SLAS和MSAS的增强定位性能，选取了不同地区的测站进行评估。分别选取了两种增强服务2019年年积日90～96天的增强电文，以及对应天数的国际GNSS服务组织(International GNSS Service，IGS)广播星历，实验所用测站位置及两种增强服务服务范围如图1所示。

图1 SLAS和MSAS服务范围及实验测站分布Fig.1 SLAS and MSAS service areas and distribution of experimental stations

3.1 日本境内增强服务对比

选取日本境内的5个MGEX测站(AIRA、STK2、TSK2、USUD、MIZU)年积日90～96天的观测数据。为比较增强性能，选取测站的GPS单点定位精度作为参考，统计SLAS和MSAS的增强效果，三种解算方案如表4所示。对5个测站按表4解算方案进行了事后7天的处理，以IGS当天的SINEX文件中的坐标作为真实值，对三种方案的定位结果进行了水平和高程方向上的偏差统计。

表4 三种实验解算方案

图2给出了年积日91天AIRA测站三种方案下的可视卫星数和位置精度因子(Position Dilution of Precision，PDOP)。SLAS和MSAS的可视卫星数与单点定位的可视卫星数相当，PDOP值三者之间变化很小，说明SLAS和MSAS能够充分利用日本境内的可视卫星进行增强服务，减少了卫星资源的浪费，且服务稳定，没有出现较大的增强信号中断现象。图2的SBAS定位方式中，可以看到刚开始可视卫星数较少且PDOP值较高，主要原因是实验采用的MSAS电文前几十秒的电文缺失，造成前几个历元卫星数量减少。图3给出了年积日91天AIRA测站三种方案在水平和高程方向上的定位结果偏差。增强过后两种服务的定位误差图更加稳定，水平和高程方向上的波动减小，定位精度明显提升。SLAS增强效果相对更加明显，水平方向偏差在1.5m以内，高程方向在3m以内；MSAS增强效果相对SLAS稍差，水平方向偏差在1.8m以内，高程方向在3m以内。

表5给出了实验测站三种方案的定位精度均方根(Root Mean Square，RMS)和95%置信水平的统计结果。在日本境内，SLAS和MSAS都能够明显增强定位性能，但前者对定位性能的提升效果更好，水平定位精度RMS从1.14m提升到0.55m，高程定位精度从3.44m提升到0.9m，提升率分别达到51.8%和73.8%；MSAS相对SLAS增强效果略差，水平定位精度RMS从1.14m提升到0.69m，高程定位精度从3.44m提升到约0.97m，提升率分别达到39.8%和71.8%。SLAS融合多种误差(卫星轨道误差、卫星钟差、电离层误差、对流层)后的差分改正信息能够更好地改正各种误差，取得更优的定位性能。

图2 年积日91天AIRA站可见卫星数及PDOP值Fig.2 Number of visible satellites and PDOP values of the AIRA station on DOY 91

图3 年积日91天AIRA站定位精度Fig.3 Positioning accuracy of AIRA station on DOY 91

表5 日本境内5个测站7天的定位精度

3.2 中国及周边地区增强服务对比

选取中国及周边地区的3个IGS测站(DAEJ、CHAN、BJFS)年积日90～96天的观测数据。以选取测站的GPS单点定位解作为参考，统计SLAS和MSAS的增强效果，三种解算方案与表4一致。

图5、图6、图7所示分别为DAEJ、CHAN、BJFS这3个测站年积日91天的三种方案的定位残差图。从图中可以看出，SLAS增强后的定位精度与用户和服务覆盖范围的距离有关，离SLAS服务范围越近，精度提升越明显，反之精度提升变弱；当超过一定距离时，甚至会降低单点定位的精度。MSAS增强效果比较稳定，但是依然存在距离MSAS中心服务区越远提升越弱的现象。图4所示为DAEJ、CHAN、BJFS这3个测站年积日91天的可见卫星数和PDOP值，SLAS受距离影响十分明显，可见卫星数明显下降，PDOP值明显升高，这与这3个测站的定位精度提升变弱的结论一致。MSAS同样也受到影响，不过影响相对较小，依然能够较好地保持定位增强性能，但相比日本地区的测站，定位增强性能明显下降。

图4 年积日91天3个测站可见卫星数及PDOP值Fig.4 Number of visible satellites and PDOP values of three station on DOY 91

图5 年积日91天DAEJ站定位精度Fig.5 Positioning accuracy of DAEJ station on DOY 91

图6 年积日91天CHAN站定位精度Fig.6 Positioning accuracy of CHAN station on DOY 91

图7 年积日91天BJFS站定位精度Fig.7 Positioning accuracy of BJFS station on DOY 91

表6给出了中国及周边地区实验7天剔除粗差后的定位精度RMS统计结果。SLAS相对于单点定位结果，水平方向精度RMS出现负提升现象，随测站变化逐渐由1.41m到3.10m，负提升越来越明显；高程方向精度RMS有一定提升，但随测站变化逐渐由0.86m到3.05m，提升率越来越小；三维方向RMS随测站位置发生变化提升越来越小，直到BJFS站转化为负提升-17.1%。MSAS相对于单点定位结果，在水平、高程和三维方向都呈现出增强现象，但是依然随测站位置变化增强性能逐渐下降。统计RMS精度，水平方向精度由0.68m降至1.24m，高程方向精度由1.01m降至1.80m，三维方向精度由1.21m降至2.18m，提升率由67.3%降至41.2%。

在中国及周边地区，MSAS和SLAS的增强定位性能与测站离MSAS和SLAS中心服务区的距离有关，都存在离MSAS和SLAS中心服务区越远定位增强性能越弱的现象。这是因为在中国及周边地区距离日本国内的监测站较远，SLAS的差分信息由日本境内的监测站生成，主要适应于日本境内，在中国及周边地区可见卫星数明显减少，导致其可用性下降，继续使用会存在误差，从而影响定位增强效果，甚至出现负提升现象。同样MSAS的可见卫星数也明显小于单点定位可见卫星数，但可见卫星数量高于SLAS，同时距离原因也会引起MSAS的电离层校正精度逐渐下降，导致MSAS的定位增强性能逐渐降低，但MSAS的增强性能依然优于SLAS的增强性能。