星基增强系统（SBAS）用户端定位算法设计

韦建成，张 睿，雷哲哲，韩 笑

星基增强系统（SBAS）用户端定位算法设计

韦建成，张 睿，雷哲哲，韩 笑

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

星基增强系统作为GNSS的重要组成部分，通过提供广播星历差分改正与完好性增强信息，满足高精度高完好性用户使用需求。本文主要设计了一套完整的星基增强系统单双频用户端定位算法处理策略，根据自编程序，验证了算法的正确性。

全球卫星导航系统；用户端；星基增强系统

0 引言

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。因此星基增强系统（Satellite Based Augmentation System, SBAS）应运而生[1-3]。SBAS采用地球同步轨道卫星（Geostationary Earth Orbit，GEO）作为通信方式，向用户提供GNSS差分改正和完好性数据，实现对原有卫星系统定位精度的改进[4]。自20世纪90年代起，世界各国相继开展SBAS项目建设。目前有很多SBAS系统已经建设完毕或计划建设，包括美国的广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）、欧洲的地球同步卫星导航增强服务系统（European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS）、日本的基于多功能传输卫星的增强系统（Multifunctional Transport Satellite based Augmentation System，MSAS）、印度的GPS辅助型静地轨道增强导航系统（GPS Aided GEO Augmented Navigation，GAGAN）、俄罗斯的差分改正监测系统（System of Differential Corrections and Monitoring ，SDCM）、中国的北斗星基增强系统（BeiDou Satellite Based Augmentation System，BDSBAS）和韩国的星基增强系统（Korean Augmentation Satellite System，KASS）。

早期建设的SBAS系统均是单频单系统，仅增强1频点，由于电离层异常问题，服务性能无法达到CAT-I的性能要求。当前，各大系统在提供单频增强服务的同时，将重点发展双频服务。我国的北斗全球卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）于2020年7月31日正式建成，作为BDS的重要组成部分，BDSBAS系统将按照国际民航组织标准要求，向中国及周边区域用户提供分别满足APV-I和CAT-I指标要求的单频和双频多星座服务。

本文以SBAS系统作为研究对象，设计了一套完整的用户端单双频增强定位算法处理策略，自编程序实现了SBAS用户端增强定位解算，利用采集的数据对算法正确性进行了验证。

1 SBAS用户端定位算法实现方案

1.1 单双频SBAS定位算法数据流图

SBAS用户端定位算法主要用于实现用户接收到观测数据、广播星历和增强星历后所进行的定位解算工作。用户接收机读取广播星历参数，解算出卫星位置和钟差，利用卫星位置、伪距和各类改正数解算出用户的当前位置。分为单频、双频两套定位算法，可适用于不同的接收机，同时支持使用SBAS增强星历的定位解算和非增强用户的定位解算。增强算法可支持非精密进近（Non-Precision Approach，NPA）和精密进近（Precision Approach，PA）等不同进近方式，解算结果为用户当前位置、接收机钟差和定位保护级等。

单频和双频用户端定位算法的数据流程图如图1～图2所示，两者的数据流类似，数据源均为广播星历文件、观测数据文件、增强星历文件和控制参数。存储数据包括观测伪距值、星历参数、各类增强参数、定位结果和保护级。其中定位结果和保护级数据可用于支撑导航系统的服务性能评估。

图1 单频SBAS定位算法数据流图

图2 SBAS双频定位算法数据流图

1.2 单双频SBAS定位算法处理流程

图3和图4分别给出了单频用户端定位算法和双频用户端定位算法的处理流程。两套算法中的部分单元设计相同，仅在电离层误差的消除、快速改正数的应用和UDRE/DFRE参数的应用上有所区别。对于非增强用户，应用RAIM算法进行完好性监测。

1.3 SBAS定位解计算模型

线性化的GNSS测量方程如式（1）所示：

用户位置误差和时钟偏移的加权最小二乘估计（Weighted Least Squares，WLS）如式（3）所示：

式中，是差分改正残差的协方差；是应用无电离层双频L1/L5组合后的电离层残差的协方差；是对流层延迟改正残差的协方差；是机载设备误差的协方差，各误差项的协方差计算方法参考RTCA-DO229E标准[5]。

图4 双频SBAS用户端定位算法流程

2 SBAS用户端定位结果验证

为了验证上述算法的正确性，我们在某航空产业园进行了飞行测试，数据采样间隔为0.05 s，采集时长约1.5 h；同时在航空产业园内架设基准站，对天线位置进行PPP精密单点定位标定（标定时长大于6 h），使用机上设备记录的观测量数据进行RTK后处理得到飞行平台的精确位置，将此精确位置作为基准，对SBAS单双频定位算法解算的结果进行验证。

SBAS定位中使用PRN为130号卫星播发的增强电文数据，卫星高度截止角设置为10°。单双频SBAS定位结果误差如图5～图6所示。

图5 单频SBAS定位结果误差

从图5～图6可看出，SBAS单双频定位结果与RTK后处理结果符合较好，验证了文中算法的正确性。

图6 双频SBAS 定位结果误差

3 结束语

本文主要给出了SBAS用户端定位算法的实现方案和计算模型，并通过采集数据对算法的正确性进行了验证。

[1] 佚名. 北斗卫星导航系统简介[J]. 电波科学学报，2010， 25（5）：1025.

[2] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统公开服务性能规范[S]. 2018．

[3] 孟鑫，曹月玲，楼立志，等. 基于RTCA标准的WAAS和EGNOS广播星历差分完好性服务性能研究[J]. 全球定位系统，2017，42（5）：1-8.

[4] 喻思琪，张小红，郭斐，等. 卫星导航进近技术进展[J]. 航空学报，2019，40（3）：022200.

[5] RTCA-DO229E. Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment[S]. RTCA Inc. SC-159，2006.

Design on Satellite Based Augmentation System Client Positioning Algorithm

WEI Jiancheng, ZHANG Rui, LEI Zhezhe, HAN Xiao

Satellite Based Augmentation System (SBAS) plays an important role in GNSS which can meet the needs of users with high precision membrane brightness by providing broadcast Ephemeris differential correction and integrity enhancement information. A complete set of SBAS single and dual frequency client positioning algorithm processing strategy is designed in the paper. According to the self-programmed program, the accuracy of single and dual frequency single-point positioning and enhanced positioning is verified.

GNSS; Client; Satellite Based Augmentation System (SBAS)

TN967

A

1674-7976-(2021)-03-163-05

2021-02-23。韦建成（1992.12-），宁夏吴忠人，硕士研究生，主要研究方向为高精度卫星导航定位算法。