北斗卫星导航系统国际民航标准重点问题研究与指标验证

陈 颖，卢 鋆，刘 成，邵 搏，张 键，原 彬

(1. 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2. 中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)

国际民航组织是联合国负责处理国际民航事务的专门机构，是政府间的国际组织，中国民航局(Civil Aviation Administration of China, CAAC)是中国在国际民航组织的代表。

在国际民航组织的架构中，成员国大会是最高权力机构，理事会是向成员国大会负责的常设行政机构，理事会下设的空中航行委员会(Air Navigation Commission, ANC)是国际民航组织具体负责有关卫星导航服务民航相关事宜的职能机构，空中航行委员会下设的导航系统专家组(Navigation System Panel, NSP)具体负责航空导航技术研究和标准制定工作。

导航系统专家组目前正在开展面向北斗卫星导航系统、全球定位系统、格洛纳斯系统、伽利略系统的标准与建议措施的研究、验证与升级工作。标准与建议措施是由国际民航组织基于 《国际民用航空公约》 制定的国际民航统一规则，目的是促进国际民用航空事业的发展，保证国际航空安全。

2010年，北斗系统开启了在国际民航组织的标准化工作。2010年9月，在国际民航组织第37届大会上，中国民航局正式提交了北斗系统进入国际民航组织标准的申请。2011年1月国际民航组织第192次理事会上，国际民航组织以决议形式同意北斗系统逐步进入国际民航组织标准。中国民航局和中国卫星导航系统管理办公室联合成立了北斗国际民航组织标准化工作团队，全面参与国际民航组织标准与建议措施修订工作。截至2020年11月，标准化工作团队先后参加了导航系统专家组工作会议、验证工作组网络电话会议以及专题技术讨论会议等50余次技术讨论，共提交90余份、千余页文件，答复问题2 000余项，关闭189项验证指标[1]。

北斗国际民航组织标准化工作团队成功推进北斗卫星导航系统全部性能指标完成专家技术验证，标志着北斗卫星导航系统正式写入国际民航组织标准的最核心、最主要工作已经完成，为全面实施中国民航标准国际化战略，推进新时代民航强国建设与北斗系统工业标准制定， “十四五” 期间全面推进北斗系统航空应用奠定了坚实基础[2]。

北斗卫星导航系统国际民航标准研究与制定牵涉内容繁多，本文重点围绕时间与坐标基准、射频信号特征、空间信号性能等北斗标准国际化推进过程中的重点指标，对北斗系统在国际民航组织标准中的实现情况进行论述。

1 时间与坐标基准

1.1 时间基准

北斗卫星导航系统的时间基准为北斗时。北斗时采用国际单位制秒为基本单位连续累计，不闰秒，起始历元为2006年1月1日协调世界时00时00分00秒。北斗时通过协调世界时(Universal Time Coordinated, UTC)与国际协调世界时建立联系，北斗时与国际协调世界时的偏差保持在50 ns以内(模1 s)[3]。北斗时的要求已经正式写入国际民航组织北斗卫星导航系统标准与建议措施第3.1.4.4节[4]。

1.2 坐标基准

北斗卫星导航系统的坐标基准为北斗坐标系(BeiDou Coordinate System, BDCS)，坐标原点位于地球质心，z轴指向国际地球自转服务组织(International Earth Rotation Service, IERS)定义的国际参考极(International Reference Pole, IRP)方向，x轴为国际地球自转服务组织定义的国际参考子午面(International Reference Meridian, IRM)与通过原点且与z轴正交的赤道面的交线，y轴、z轴和x轴构成右手直角坐标系[3]。北斗坐标系参考椭球的几何中心与地球质心重合，参考椭球的旋转轴与z轴重合，参考椭球定义的基本常数见表1。

表1 北斗坐标系参考椭球的基本常数

北斗坐标系的定义与国际地球参考架(International Terrestrial Reference Frame, ITRF)一致，北斗坐标系与ITRF-2014之间的差异不超过3 cm(95%)[5]。国际民航组织标准与建议措施中全球定位系统、伽利略系统等采用的WGS-84坐标系也是基于国际地球参考架实现的，在航空应用中，WGS-84与北斗坐标系之间的差异可以忽略。北斗坐标系的定义以及与ITRF/WGS-84的差异已经写入国际民航组织北斗卫星导航系统标准与建议措施第3.1.4.5节以及附件D第4.1.4.9节[4]。

2 射频信号特征

2.1 落地电平

按照国际民航组织标准与建议措施对落地电平的接收要求，在高于5°仰角和使用3 dBi线性圆极化天线条件下，接收到全球定位系统卫星L1C/A信号的落地电平为-158.5～-153 dBW[6]，L5信号的落地电平为-157.9～-150 dBW[7]；接收到格洛纳斯系统卫星L1OF信号的落地电平为-161～-155.2 dBW[6]，L1OC信号的落地电平为-158.5～-155.2 dBW，L3OC信号的落地电平为-158.5～-155.2 dBW[8]；接收到伽利略系统卫星E1信号的落地电平为-157.9～-151.45 dBW，E5a信号的落地电平为-155.9～-149.45 dBW[9]。

北斗卫星导航系统B1I，B1C和B2a空间信号接口控制文件中明确给出了最低落地电平，未给出最高落地电平的相关信息。从卫星发射功率调节能力、天线在不同离轴角的增益差异、传播距离不同造成的路径损耗差异、大气损耗等方面，本文对北斗卫星导航系统在B1I，B1C和B2a上的最高落地电平进行了推算。

北斗卫星导航系统在B1I，B1C和B2a频点的落地电平如表2，相关要求已正式写入国际民航组织北斗卫星导航系统标准与建议措施第3.7.3.1.4.8.4节、第3.7.3.1.4.9.4节和第3.7.3.1.4.10.4节[4]。

表2 北斗卫星导航系统在B1I，B1C和B2a频点的落地电平

2.2 信号质量

依据北斗卫星导航系统中地球轨道(Medium Earth Orbit, MEO)卫星和倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous Orbit, IGSO)卫星设计要求，从频域特性、相关域特性、调制特性等方面对中地球轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星进行了信号质量评估，评估结果分布如表3，测试项均符合指标要求。

2.3 抗干扰能力

抗干扰能力是卫星导航服务的一项重要指标，国际民航组织、航空无线电技术委员会、美国航空无线电协会以及美国联邦航空局等相关标准文件对抗干扰能力具有规范化要求。关于全球定位系统和格洛纳斯系统抗干扰的描述是在特定的航空电磁干扰环境下，全球定位系统伪距跟踪精度为0.36 m，格洛纳斯系统伪距跟踪精度为0.8 m。在标准化测试框架下，北斗卫星导航系统 B1C和B2a信号在有限带宽白噪声容限干扰、连续波容限干扰和脉冲容限干扰等各类型干扰容限下，伪距跟踪精度分别优于0.5 m和0.3 m(1 sigma)，测试结果如图1和图2[10]。该测试结果已经得到国际民航组织导航系统专家组的认可，相关要求已正式写入国际民航组织标准与建议措施。

图1 北斗卫星导航系统B1C信号跟踪误差

图2 北斗卫星导航系统B2a信号跟踪误差

2.4 空间信号畸变模型

导航卫星信号由于各种非预期原因，可能产生一定畸变。这种畸变对差分用户可能带来潜在威胁，一般需要对信号质量进行监测。为评估信号质量监测手段的有效性，我们需要对信号畸变进行有限的建模描述，明确信号质量监测所需要针对的具体畸变特点和畸变程度。目前国际民航标准对全球定位系统和格洛纳斯系统导航信号的畸变采用TM-A，TM-B和TM-C模型描述[6]。

针对B1C和B2a信号特性，结合北斗卫星实际状态，我们对北斗卫星导航系统信号畸变模型影响空间参数(即Δ，σ，fd参数)基于3个原则进行分析：(1)如果参数值已经超过卫星的物理可实现性，则不作为威胁空间的参数范围；(2)如果参数值导致的测距误差过大，容易检测，则不作为威胁空间的参数范围；(3)如果参数值导致的监测站与用户接收机之间的差分误差较小，不影响系统服务性能，则不作为威胁空间的参数范围。

考虑监测接收机、用户接收机有严格的设计约束，通过有限范围的遍历进行畸变分析导致最大差分误差[11]。北斗卫星导航系统星上测距偏差在TM-A模型下与参数Δ的变化关系和在TM-B模型下与参数fd的变化关系分别如图3和图4，TM-C模型的参数范围为TM-A和TM-B的组合。

图3 TM-A模型北斗卫星导航系统星上测距偏差与参数Δ的变化关系。(a)B1C；(b)B2a

图4 TM-B模型北斗卫星导航系统星上测距偏差与参数fd的变化关系。(a)B1C；(b)B2a

北斗卫星导航系统 B1C和B2a信号在TM-A，TM-B和TM-C畸变模型下威胁空间参数范围如表4，北斗卫星导航系统的畸变模型已正式写入国际民航组织标准与建议措施附件D第8章[11]。

表4 北斗卫星导航系统空间信号畸变模型威胁空间参数范围

3 北斗卫星导航系统空间信号性能

北斗卫星导航系统空间信号性能设计指标分为4类。(1)精度：包含全球平均水平/垂直精度指标和最坏点水平/垂直精度指标；(2)完好性：包含单星完好性和星座完好性，用于表征系统单星或多星同时出现服务故障的概率；(3)连续性：表征一个健康状态的公开服务空间信号能在规定时段内不发生非计划中断而持续工作的概率；(4)可用性：表征北斗星座中规定轨道位置上的卫星提供健康状态的空间信号的概率。

上述性能指标均已正式写入国际民航组织标准与建议措施，本文基于2019年7月1日至7月30日中国境内监测接收机接收的数据，对北斗卫星导航系统空间信号性能指标实现情况进行验证。

3.1 精度

北斗卫星导航系统全球平均水平精度指标6.0 m，平均垂直精度指标10.0 m；最坏点位置水平精度指标12.0 m，最坏点位置垂直精度指标22.0 m。依据全球定位系统标准定位服务(Standard Positioning Service, SPS)性能标准中全球平均和最坏点位置的误差计算方法，结合北斗卫星导航系统的实际情况，北斗B1C和B2a频点公开服务位置误差确定步骤如下。

(1)确定星座情况

a. 全星座24颗北斗三号中地球轨道卫星+3颗倾斜地球同步轨道卫星。

b. 任意缺失两颗卫星情况：在一个回归周期内任意时刻出现2颗卫星故障的概率极低，鉴于北斗三号24颗中地球轨道卫星均匀分布在3个轨道面，各个轨道面夹角为120°，故考虑缺失的这两颗卫星在任意一个轨道面和分别位于某两个轨道面上即可。另外由于卫星轨道对称(近圆轨道)，综合以上情况，给出以下几种缺失两颗卫星的星座情况：缺失MEO-07/MEO-08，缺失MEO-07/MEO-09，缺失MEO-07/MEO-15，缺失MEO-08/MEO-01，缺失MEO-08/MEO-02，缺失MEO-08/MEO-15，缺失MEO-08/MEO-03，缺失MEO-08/MEO-04。

(2)计算条件：截止高度角5°；数据采样点5°×5°格网点；计算间隔5 min；计算周期7×24 h。

(3)在(1)和(2)的前提条件下，计算全球区域一个周期内各格网点的水平精度因子(Horizontal Dilution of Precision, HDOP)和垂直精度因子(Vertical Dilution of Precision, VDOP)。

(4)按照置信度为95%统计一个周期内所有格网点的水平精度因子和垂直精度因子。

(5)求所有格网点的均值和最大值(最差值)。

(6)按照以下公式可以获得全球平均和最差点处位置误差：

SPP(H)=UERE×HDOP，

(1)

SPP(V)=UERE×VDOP.

(2)

一个周期内所有格网点的水平精度因子和垂直精度因子均值和最差值统计情况如表5。

表5 精度因子统计值 (95%)

取用户等效距离误差(User Equivalent Range Error, UERE)为空间信号距离误差(Signal in Space Range Error, SISRE)与用户设备误差(User Equipment Error, UEE)的平方和，空间信号距离误差取任意龄期值4.6 m，用户设备误差取2.0 m，最坏点位置和全球平均的定位精度为

UERE=[(4.6×4.6)+(2.0×2.0)]1/2

=5.0 m ，

(3)

SPP(H)WORST=5.0×2.2=11.0 m ，

(4)

SPP(V)WORST=5.0×4.3=21.5 m ，

(5)

SPP(H)AVE=5.0×1.14=5.7 m ，

(6)

SPP(V)AVE=5.0×1.92=9.6 m.

(7)

全球平均水平精度为5.7 m，全球平均垂直精度为9.6 m；最坏点位置水平精度为11.0 m，最坏点位置垂直精度为21.50 m，能够满足空间信号精度的指标要求。

3.2 完好性

单星完好性风险指任意单颗卫星出现主要服务故障的概率，设计指标为300 s内用户接收机天线没有收到告警信息的概率不超过1×10-5/h。星座完好性风险指两颗或多颗卫星同时出现主要服务故障的概率，设计指标为300 s内用户接收机天线没有收到告警信息的概率不超过1×10-7/h。

测试使用数据为7月1日至7月30日中国境内监测接收机接收的B-CNAV1和B-CNAV2导航电文中的空间信号精度指数(SISA)参数，包括卫星星历、钟差、卫星健康状态(HS)、电文完好性标识(DIF)、信号完好性标识(SIF)和系统告警标识(AIF)。完好性分析步骤如下。

(1)利用广播星历(含钟差)和精密星历(含钟差)计算得到每颗健康卫星的径向、切向、法向和钟误差。

(2)计算每颗卫星瞬时SISRE，

(8)

其中，R为径向误差；C为法向误差；A为切向误差；T为卫星钟偏差；c为光速；β为比例因子(倾斜地球同步轨道卫星取0.99，中地球轨道卫星取0.98)；α为比例因子(倾斜地球同步轨道卫星取127，中地球轨道卫星取54)。

(3)对于B1C/B2a频点计算SISA，SISA值由B1C信号导航电文B-CNAV1或B2a信号导航电文B-CNAV2中播发的SISAIoe(卫星轨道切向和法向精度)和SISAIocb(卫星径向和卫星钟差精度)、SISAIoc1(卫星钟频偏精度指数)、SISAIoc2(卫星钟频漂精度指数)参数综合计算。具体计算方法为

•SISAoe取导航电文中SISAIoe对应等级 “N” 的上限值，SISocb取导航电文中SISAIocb对应等级 “N” 的上限值，SISAoc1与SISAoc2的等级转换算法为

SISAoc1=2-(SISAIoc1+14)，

(9)

SISAoc2=2-(SISAIoc2+28).

(10)

•SISAoc计算方法为

SISAoc=SISAocb+SISAoc1(t-top)，t-top≤93 600 s

SISAoc=SISAocb+SISAoc1(t-top)+SISAoc2(t-top-93 600)2，t-top>93 600 s

(11)

•SISA计算方法为

(12)

(4)将各卫星SISRE值与4.42倍SISA限值比较，判断是否超过限值；

(5)统计单星SISRE超过限值的概率作为单星完好性风险；统计由于共同原因引起的两颗及以上卫星SISRE超过限值的概率作为星座完好性风险。

部分卫星4.42倍SISA限值与SISRE对比关系如图5和图6，图中红色曲线为4.42倍的SISA，蓝色曲线为SISRE。从图5和图6可以看出，未有单星SISRE超过限值的现象发生，可以满足1×10-5/h星座完好性风险指标要求；未有两颗或两颗以上卫星SISRE由于共同原因超过限值的现象发生，可以满足1×10-7/h星座完好性风险指标要求。

图5 北斗28号星4.42倍SISA限值与SISRE对比关系

图6 北斗38号星4.42倍SISA限值与SISRE对比关系

3.3 连续性

空间信号连续性是指一个健康状态的公开服务空间信号能在规定时段内不发生非计划中断而持续工作的概率。北斗倾斜地球同步轨道卫星和中地球轨道卫星在B1C和B2a频点上空间信号连续性指标为优于0.998/h。

测试使用数据为7月1日至7月30日中国境内监测接收机接收的B-CNAV1和B-CNAV2导航电文。空间信号连续性分析步骤如下。

(1)对于任意时刻t(固定步长≤10 min)，用导航电文判断卫星信号是否健康(可用)，标识为H_flag， H_flag=0表示信号可用。

(2)在任意时刻t，我们用北斗卫星导航系统用户通知(BDS User Notice)判断是否提前48 h发出卫星计划中断的信息，标识为BDUN_flag，BDUN_flag=1表示已经发出了及时通知。

(3)在任意时刻t，任意健康卫星在没有发出中断通知而变为不健康状态用

(13)

表示。

(4)对于任意卫星以固定步长(thour≤1 h)在每小时连续性丧失的函数表示为(该1 h的起始时刻卫星健康，但未提前48 h收到中断通知而卫星变为不健康状态)

(14)

(5)星座中所有卫星1年的空间信号平均连续性为没有发生连续性丧失的1 h间隔数与总的小时间隔数的比值，

(15)

其中，NSV为星座中的卫星数(北斗基础星座27颗)；Nhours为总的小时间隔数(不同于1年的总小时数，该值是滑动产生的)。

北斗卫星空间信号连续性测试结果如图7，倾斜地球同步轨道卫星在B1C和B2a频点上空间信号连续性的平均值为0.998 2/h，中地球轨道卫星在B1C和B2a频点上空间信号连续性的平均值为0.998 3/h，测试结果能够满足设计指标要求。

图7 北斗卫星空间信号连续性测试结果

3.4 可用性

空间信号可用性是指北斗卫星导航系统星座中规定轨道位置上的卫星提供健康状态的空间信号的概率。可用性计算包含计划中断和非计划中断。倾斜地球同步轨道卫星和中地球轨道卫星在B1C和B2a频点上空间信号可用性指标为优于0.98。

测试使用数据为7月1日至7月30日中国境内监测接收机接收的B-CNAV1和B-CNAV2导航电文。空间信号可用性分析步骤为

(1)对于任意时刻t(固定步长≤10 min)，用导航电文判断卫星信号是否健康(可用)，标识为H_flag，H_flag=0表示信号可用。

(2)空间信号平均可用性用

(16)

计算，其中，NSV为星座中的卫星数(北斗基础星座27颗)；Nt为统计总数。

北斗卫星空间信号可用性测试结果如图8，倾斜地球同步轨道卫星在B1C和B2a频点上空间信号可用性的平均值为0.995 8，中地球轨道卫星在B1C和B2a频点上空间信号可用性的平均值为0.995 4，测试结果能够满足设计指标要求。

图8 北斗卫星空间信号可用性测试结果

4 总 结

自2010年起，北斗卫星导航系统国际标准化工作已经持续开展了十余年。北斗卫星导航系统在国际民航标准层面涉及的工作很多，本文重点围绕时间与坐标基准、射频信号特征、空间信号性能等北斗标准国际化推进过程中的重点指标开展论述。目前，北斗时与国际协调世界时的偏差保持在50 ns以内(模1 s)，北斗坐标系与ITRF-2014之间的差异不超过3 cm；北斗卫星导航系统民用信号落地电平、信号质量、抗干扰能力的评估结果及空间信号畸变模型符合设计指标；依据北斗卫星导航系统在国际民航组织标准与建议措施框架下的服务性能定义和计算方法，利用系统实际数据验证北斗卫星导航系统空间信号性能均满足设计指标要求。上述分析、模型及验证结果等多项内容已正式写入国际民航组织标准与建议措施。北斗卫星导航系统自2018年已经连续运行3年，服务性能稳定，各项性能指标均与国际民航组织标准与建议措施的指标要求保持一致，对我国北斗卫星导航系统国际化、北斗卫星导航系统标准国际化及民航领域推广具有重要推动作用。后续，北斗国际标准化组织将持续完善北斗卫星导航系统在国际民航组织的验证工作，并进一步推进北斗卫星导航系统在航空工业组织层面的验证工作，助力北斗卫星导航系统 “走出去” 战略的顺利实施。