北斗星基增强系统增强定位方法和效果研究

于敬巨，张如伟，张彦超，胡彩亮

北斗星基增强系统增强定位方法和效果研究

于敬巨，张如伟，张彦超，胡彩亮

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

北斗星基增强系统BDSBAS通过地球同步轨道卫星实时播发导航卫星星历改正数等增强信息，提高用户全球导航卫星系统定位精度，提升服务水平，是北斗全球卫星导航系统的重要组成部分。根据相关标准协议文件研究了BDSBAS增强定位算法，并在自主研发的北斗星基增强系统监测接收机上设计实现了BDSBAS增强信号的接收，完成了单频和双频实时增强定位解算。实测结果表明：BDSBAS-B1C增强信号能有效提高GPS L1C/A的单频定位精度，相比于标准服务单频定位结果，水平和高程方向精度分别提升了45.18%和70.61%，提升后定位精度在1 m左右；BDSBAS-B2a增强信号能一定程度提高BDS B1C-B2a的双频无电离层组合定位精度，相比较于标准服务双频定位结果，水平和高程方向精度分别提升了6.15%和5.83%，提升后定位精度达到分米级。

BDSBAS；增强定位；北斗星基增强系统监测接收机

引言

不同于一般大众应用领域，航空业等关乎生命安全的行业领域对卫星导航系统的定位精度、完好性和连续性等指标提出了更高的要求[1]。星基增强系统SBAS是重点面向此类行业领域用户的广域差分和完好性增强技术。作为北斗全球卫星导航系统六大服务之一[2,3]，北斗星基增强系统BDSBAS与北斗三号全球卫星导航系统一体化设计和规划，是北斗全球卫星导航系统的重要组成部分，能够提高全球导航卫星系统GNSS定位精度，提升服务水平，是满足我国民航、铁路、航运等关键行业领域高精度和高完好性需求的重要手段[4]。

随着北斗三号全球卫星导航系统的正式开通，北斗卫星导航系统BDS的重点工作已从工程建设转移到维护稳定运行、提高服务水平上来，北斗星基增强系统已成为后阶段的工作重心之一[5]。BDSBAS通过地球同步轨道卫星GEO的BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a增强信号播发各个GNSS系统的卫星轨道改正数、卫星钟差以及电离层延迟改正数等修正信息，向中国及周边地区用户提供符合国际民航组织ICAO标准的单频SF（Single-Frequency）服务和双频多星座DFMC（Double-Frequency Multi-Constellation）服务，提高原有卫星导航系统的定位精度[6]。

本文根据中国卫星导航系统管理办公室发布的接口控制文件和SBAS国际标准对BDSBAS单频和双频增强定位方法进行了研究，在自主研发的BDSBAS监测接收机平台上设计实现了增强定位解算，并就BDSBAS增强信号对GPS L1C/A单频和BDS B1C-B2a双频实时增强定位进行了实测，对定位增强效果进行了初步分析。

1 BDSBAS简介

BDSBAS与BDS一体化设计与建设，系统主要由空间段、地面段和用户段3部分组成，如图1所示[7,8]。空间段由3颗GEO卫星组成，通过BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a信号播发增强电文信息，提供覆盖亚太地区的SF和DFMC增强服务。地面段由运行控制中心、数据处理中心、注入站和监测站组成。地面监测站对导航卫星进行连续跟踪监测，获取伪距、载波相位和导航电文等信息，通过专用通信网络传输至主控站数据处理中心，数据处理中心处理、生成广域差分修正信息等星基增强数据，经由主控站运行控制中心接收比对后上注北斗GEO卫星，播发至服务区内供用户使用[9]。用户段包括面向航空、航海、铁路等行业应用的BDSBAS设备。

图1 BDSBAS系统架构组成

BDSBAS按照国际民航组织标准和规范要求开展设计与建设，与美国的广域增强系统（WAAS）、俄罗斯的差分校正和监测系统（SDCM）、欧洲的地球静止导航重叠服务（EGNOS）、印度GPS辅助地球静止轨道卫星增强导航（GAGAN）及日本的多功能增强系统（MSAS）等星基增强系统实现兼容与互操作[10-12]。BDSBAS系统播发BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a两个频段的增强信号，其中BDSBAS-B1C频点采用ICAO所明确的SBAS SF L1标准信号体制，BDSBAS-B2a频点采用目前正在联合设计的SBAS DFMC L5标准信号体制[2]。两个频点增强信号对应BDSBAS提供两种增强服务：单频增强服务，由BDSBAS-B1C频段的信号将GPS和GLONASS系统的卫星轨道改正数、卫星钟差和电离层改正数等各类修正参数播发给用户[6]；双频增强服务，由BDSBAS-B2a频段的信号将BDS、GPS、GLONASS和Galileo系统的卫星轨道改正数和钟差改正数等各类修正参数播发给用户[13]。

2 定位解算设计

自主研发的BDSBAS监测接收机支持所有GNSS系统及SBAS信号的实时接收解算，同时设计实现了实时SF和DFMC SBAS增强定位。本设计可以根据上位机监控设置的配置参数，选择不同GNSS系统数据和不同SBAS系统播发的增强信息，实现实时单频增强定位或双频无电离层组合增强定位，且能在选择的SBAS系统服务不可用时，自动转为标准服务单频定位或双频无电离层组合定位，具体定位解算流程图如图2所示。

图2 BDSBAS监测接收机定位解算流程图

2.1 单频增强算法

BDSBAS-B1C频点播发单频增强信息，用于修正GNSS的单频定位精度。单频增强信息提供电离层延迟、卫星轨道位置和钟差相应的修正参数。

电离层延迟误差是影响用户单频定位精度的重要误差源之一，BDSBAS播发电离层格网掩码、格网点处电离层垂直延迟和格网电离层垂直误差索引GIVEI等参数，用于穿刺点处电离层改正数解算。

其中0为播发的增强修正参数对应的广播时间。

2.2 双频增强算法

随着全球导航卫星系统的发展，SBAS的双频多系统增强服务成为可能，国际民航组织正积极推进双频多系统的SBAS标准制定[14]。以采用B1C和B2a导频分量双频无电离层组合伪距算法修正电离层延迟的影响为例，双频无电离层组合伪距计算方法为：

3 实验及效果分析

采用自研的BDSBAS监测接收机进行静态测试实验，实验地点位于北京某办公楼。天线架设在该办公楼楼顶，周边环境无遮挡，坐标事先经过PPP计算得到，实验设备如图3所示。自研的BDSBAS监测接收机能够完成BDSBAS信号的实时接收处理及增强定位解算，且同时支持任意两种模式的定位解算，故分两次分别进行单频和双频定位各两种方案的实验，保存定位结果，采样频率为1 Hz。

图3 自研BDSBAS监测接收机及天线架设图

3.1 单频增强定位实验及分析

本文通过BDSBAS监测接收机实时接收处理BDSBAS-B1C信号，发现目前BDSBAS-B1C频点仅播发了针对GPS L1C/A的增强信息，对此本文采用两种实验方案进行实时定位解算。方案一采用GPS广播星历进行单点定位解算，方案二采用BDSBAS-B1C信号播发的增强信息修正GPS卫星轨道、钟差和电离层延迟误差进行单点定位解算，两种方案均采用标准对流层模型。

在BDT的819 W 348 500S～349 500S测试时间段内，两种方案的水平误差delP和高程误差delH随时间变化如图4所示，方案一在水平方向上定位精度优于3.99 m，在高程方向上定位精度优于3.84 m；方案二在水平方向上定位精度优于2.91 m，在高程方向上定位精度优于3.04 m。

图4 单频定位两种方案定位结果对比图

在测试时间段内两种方案定位结果的均值和方差如表1所示，方案二增强定位的水平和高程定位精度分别为0.91 m和0.72 m，结果较方案一常规单点定位在水平方向上提高45.18%，在高程方向上提高70.61%，定位结果提高幅度较大，且变化幅度较低，表明BDSBAS单频增强服务性能在北京地区稳定且良好。将本文结果与文献[15]实验结果进行比较，如表2所示，由于定位算法和数据处理策略的不同，故本文与文献[15]的定位结果差别较大，但增强定位相对于标准定位的提升幅度较一致，说明BDSBAS单频增强服务较为稳定。上述结果表明，BDSBAS-B1C提供的单频增强服务能有效提高GPS的单点定位精度，满足民航用户一类垂直引导进近APV-I精度要求（水平16 m，95%误差；垂直20 m，95%误差：）。

表1 单频定位两种方案定位结果

表2 定位结果比较

3.2 双频增强定位实验及分析

目前BDSBAS-B2a频点播发GPS L1C/A-L5和BDS B1C-B2a的增强信息服务测试信号，本文采用两种方案通过BDSBAS监测接收机对BDSBAS-B2a信号进行实时接收处理，并完成实时BDS B1C-B2a双频定位解算。方案一采用常规双频无电离层组合进行单点定位解算，方案二采用BDSBAS-B2a信号播发的增强信息修正BDS卫星轨道、钟差后进行双频无电离层组合单点定位解算，两种方案均采用标准对流层模型。

在BDT的808 W 434 500 s～435 500 s 测试时间段内两种方案的水平误差delP和高程误差delH随时间变化，如图5所示，方案一在水平方向上定位精度优于1.76 m，在高程方向上定位精度优于2.49 m；方案二在水平方向上定位精度优于1.55 m，在高程方向上定位精度优于2.39 m。在测试时间段内两种方案定位结果的均值和方差如表3所示，方案二增强定位的水平和高程定位精度分别为0.61 m和0.97 m，结果较方案一常规双频无电离层组合定位在水平方向上提高6.15%，在高程方向上提高5.83%，BDSBAS提供的双频增强服务能一定程度上提高BDS的双频无电离层组合定位精度，满足民航用户一类精密进近CAT-I精度要求（水平16 m，95%误差，垂直4 m，95%误差）。

图5 双频定位两种方案定位结果对比图

表3 双频定位两种方案定位结果

4 结束语

本文基于BDSBAS监测接收机设计实现了BDSBAS增强信号的实时接收解算，并完成了GPS单频和BDS双频增强定位的实时解算。结果表明：

① BDSBAS-B1C增强信号能有效提高GPS的单频定位精度，水平和高程方向精度分别提升了45.18%和70.61%，达到水平2.91 m（95%误差）和垂直3.04 m（95%误差），满足民航用户一类垂直引导进近APV-I精度要求；

② BDSBAS-B2a增强信号能一定程度提高BDS的双频无电离层组合定位精度，水平和高程方向精度分别提升了6.15%和5.83%，提升后实时定位精度在分米级，达到水平1.55 m（95%误差）和垂直2.39 m（95%误差），满足民航用户一类精密进近CAT-I精度要求。

③标准服务的双频无电离层组合定位精度已经接近或达到分米级，所以双频增强定位精度提升幅度较小，且由于双频无电离层组合噪声系数变大，导致变化幅度较大。

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Study on enhanced positioning method and effect of BDSBAS

YU Jingju, ZHANG Ruwei, ZHANG Yanchao, HU Cailiang

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

BDSBAS is an important part of BDS. It improves the positioning accuracy and service level of GNSS by broadcasting the ephemeris corrections and other augmentation information through geostationary earth orbit satellites in real time. This paper studies the enhanced positioning algorithm of BDSBAS according to the relevant standard protocol files, designs and realizes the receiving of the signal of BDSBAS on the BDSBAS monitor receiver, and completes the real-time enhanced positioning solution of single frequency and dual frequency. The results show that BDSBAS-B1C signal can effectively improve the single-frequency positioning accuracy of GPS L1C/A. Compared with the standard service single-frequency positioning, the positioning accuracy of horizontal direction and elevation direction is increased by 45.18% and 70.61%, and the positioning accuracy is about 1m after the enhancement. BDSBAS-B2a signal can improve the positioning accuracy of BDS B1C-B2a dual-frequency ionosphere-free combination to a certain extent. Compared with the standard service dual-frequency positioning, the positioning accuracy of horizontal direction and elevation direction is improved by 6.15% and 5.83%, and the positioning accuracy reaches decimeter level after the enhancement.

BDSBAS; Enhanced positioning; BDSBAS monitor receiver

TN967.1

A

CN11-1780(2022)05-0053-08

10.12347/j.ycyk.20211117002

于敬巨, 张如伟, 张彦超, 等.北斗星基增强系统增强定位方法和效果研究[J]. 遥测遥控, 2022, 43(5): 53–60.

DOI：10.12347/j.ycyk.20211117002

: YU Jingju,ZHANG Ruwei,ZHANG Yanchao, et al. Study on enhanced positioning method and effect of BDSBAS[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(5): 53–60.

2021-11-17

于敬巨 1991年生，硕士，工程师，主要研究方向为GNSS信号监测和星基增强技术。

张如伟 1980年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为GNSS总体设计及高精度算法研究。

张彦超 1989年生，硕士，工程师，主要研究方向为GNSS高精度定位。

胡彩亮 1982年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为GNSS总体设计及抗干扰设计。

(本文编辑：潘三英)