星基增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉禹彤，李 銳，王君君

（北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

目前全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system， GNSS）主要的核心星座包括美國的全球定位系統(tǒng)（global positioning system， GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system， GLONASS）、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)（Galileo positioning system， Galileo）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system， BDS）。由于單獨(dú)使用核心星座無法滿足航空用戶對精度和完好性的要求，因此增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。增強(qiáng)系統(tǒng)包括星基增強(qiáng)系統(tǒng)（satellite-based augmentation system， SBAS）、空基增強(qiáng)系統(tǒng)和陸基增強(qiáng)系統(tǒng)[1]。其中 SBAS覆蓋范圍廣，在航空航海應(yīng)用上更具優(yōu)勢。

“中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)白皮書”[2]指出，北斗三號建設(shè)過程中需同時(shí)開展增強(qiáng)系統(tǒng)與基本系統(tǒng)一體化建設(shè)，不僅要實(shí)現(xiàn)全球基本導(dǎo)航服務(wù)，還要為亞太地區(qū)提供星基增強(qiáng)服務(wù)，提高系統(tǒng)服務(wù)精度和可靠性。

SBAS對地面站的衛(wèi)星信號進(jìn)行處理，計(jì)算得到各類改正數(shù)及完好性信息，并通過地球靜止軌道衛(wèi)星將信息播發(fā)給用戶。其最重要的功能之一是提供完好性監(jiān)測，以保證航空用戶的生命安全。目前，大多數(shù)GNSS仿真軟件只具備定位解算等功能，缺少完好性故障模塊，難以支持完好性監(jiān)測方法的測試與研究。由于實(shí)測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)完好性故障的概率很小，難以用實(shí)測數(shù)據(jù)開展測試，因此需要人為添加特定的故障，生成仿真數(shù)據(jù)，以支持完好性監(jiān)測模塊的開發(fā)與測試。

1 總體設(shè)計(jì)

本文提出一種SBAS數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，輸入實(shí)測數(shù)據(jù)并添加各類完好性故障作為仿真事件，并輸出處理后的數(shù)據(jù)到后續(xù)模塊，以期為我國 BDS SBAS完好性監(jiān)測能力的測試驗(yàn)證提供解決思路。

本文設(shè)計(jì)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)通過圖形界面對監(jiān)測站、衛(wèi)星及完好性故障進(jìn)行參數(shù)配置，并處理觀測數(shù)據(jù)，為后續(xù)SBAS處理模塊提供數(shù)據(jù)源。軟件主要包括 5大模塊：人機(jī)交互、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、故障生成、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)輸出，整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SBAS數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)架構(gòu)

用戶首先通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行靈活的參數(shù)配置?？蛇x擇數(shù)據(jù)處理的時(shí)間、監(jiān)測站的區(qū)域、監(jiān)測站及用戶站列表、衛(wèi)星星座、添加故障的類型及故障參數(shù)等。同時(shí)，主界面還會(huì)顯示監(jiān)測站和用戶站的位置地圖。人機(jī)交互模塊主界面如圖2所示。

圖2 人機(jī)交互模塊主界面

數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)人機(jī)交互模塊配置的參數(shù)，將用戶選取的觀測文件和導(dǎo)航文件導(dǎo)入系統(tǒng)。文件格式采用與接收機(jī)無關(guān)的交換格式（receiver independent exchange format， RINEX）。目前本設(shè)計(jì)方案支持 RINEX 2.11版本[3]和 RINEX 3.02版本[4]。監(jiān)測站可選擇美國區(qū)域的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（wide area augmentation system， WAAS）和中國地區(qū)的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（continuously operating reference system， CORS）監(jiān)測站。

故障生成模塊根據(jù)人機(jī)交互界面配置的完好性故障參數(shù)生成不同類型的故障事件，并計(jì)算故障對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。將完好性故障分為 3類：空間信號故障、監(jiān)測站故障、傳播段故障。

數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)用戶的選擇將導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理并疊加完好性故障模塊造成的影響，得到添加故障后的碼偽距和載波相位仿真觀測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)輸出模塊負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)按照RINEX標(biāo)準(zhǔn)文件格式進(jìn)行輸出。輸出的觀測文件和導(dǎo)航文件將用于幾何法仿真、動(dòng)力法仿真、電離層處理、增強(qiáng)電文生成、用戶算法仿真、性能評估等各個(gè)處理模塊，以支持SBAS仿真平臺(tái)后續(xù)的各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)和性能評估工作。

2 完好性故障模塊設(shè)計(jì)

完好性故障生成模塊是SBAS數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)的核心模塊。根據(jù)實(shí)測故障來源，將完好性故障分為3類：空間信號故障；監(jiān)測站故障；傳播段故障。本方案采用仿真模型計(jì)算故障引起的誤差并直接疊加到真實(shí)碼偽距和載波相位觀測值上，既可保證數(shù)據(jù)源貼近實(shí)際情況，又便于后續(xù)對加入故障前后數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證。

2.1 空間信號故障

空間信號故障主要包括星鐘故障和星歷故障。

星鐘故障是由于衛(wèi)星原子鐘部件缺陷或老化引起的，產(chǎn)生的誤差可分為漂移和跳變 2種形式。其中時(shí)鐘漂移通過疊加隨時(shí)間線性變化的斜坡值來模擬，而時(shí)鐘跳變可通過疊加常數(shù)值（階躍值）來模擬。在GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能規(guī)范[5]中，星鐘誤差的變化率正常情況下應(yīng)不大于 0.006 m/s。通過對2000—2017年GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)故障報(bào)告[6]進(jìn)行分析，星鐘斜變故障是實(shí)際最可能產(chǎn)生的空間信號故障。當(dāng)星鐘產(chǎn)生故障而導(dǎo)致變化率異常增大時(shí)，在百秒內(nèi)引起的測距誤差最高可達(dá)到數(shù)百米甚至數(shù)千米。

由于衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)具有周期性，導(dǎo)致其受到的自然擾動(dòng)具有規(guī)律性，故自然擾動(dòng)不屬于完好性故障研究范圍。因此星歷故障的產(chǎn)生原因主要是由于衛(wèi)星機(jī)動(dòng)調(diào)軌，屬于計(jì)劃內(nèi)中斷，衛(wèi)星將提前預(yù)報(bào)，并設(shè)置其健康標(biāo)識(shí)為不健康狀態(tài)。故本設(shè)計(jì)方案暫不考慮加入星歷故障。

用戶可通過人機(jī)交互界面進(jìn)行故障參數(shù)的配置?？臻g信號故障參數(shù)配置界面如圖3所示。參數(shù)包括故障起止時(shí)間、故障衛(wèi)星編號、故障類型選擇（階躍或者是斜坡）、階躍值或斜坡值。斜坡值是GPS L1頻點(diǎn)碼偽距觀測量增量的變化率，單位m/s，階躍值是碼偽距觀測量的增加值，單位m。配置完參數(shù)后，空間信號故障添加流程圖如4所示。

圖3 空間信號故障參數(shù)配置界面

圖4 添加空間信號故障流程

2.2 監(jiān)測站故障

監(jiān)測站故障一般考慮2種情況：第一種情況是監(jiān)測站周邊電磁干擾會(huì)引起信號載噪比嚴(yán)重惡化，測距誤差急劇增大。由于電磁影響具有隨機(jī)性，采用均值為 0的高斯噪聲作為電磁場異常變化對偽距和載波相位觀測值的影響。用戶輸入監(jiān)測站電磁故障的起止時(shí)間、監(jiān)測站名稱，以及高斯方差因子，便會(huì)生成服從相應(yīng)高斯分布的噪聲疊加到觀測值上。

第二種情況是監(jiān)測站通信網(wǎng)絡(luò)中斷而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量下降至不能正常提供服務(wù)。在故障發(fā)生時(shí)間內(nèi)，該故障站將接收不到任何有效觀測數(shù)據(jù)和導(dǎo)航文件，正在接受的文件也被迫中斷。監(jiān)測站故障參數(shù)配置界面如圖5所示。添加監(jiān)測站故障流程如圖6所示。

圖5 監(jiān)測站故障參數(shù)配置界面

圖6 添加監(jiān)測站故障流程

2.3 傳播段故障

導(dǎo)航信號從衛(wèi)星到接收機(jī)的傳播途中產(chǎn)生的誤差主要有電離層誤差、對流層誤差以及多徑干擾。其中，電離層延遲是最主要的誤差來源。電離層異常具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，主要包括電離層暴和電離層閃爍。閃爍是由于電離層中小尺度不均勻體結(jié)構(gòu)引起的，會(huì)導(dǎo)致跟蹤信號失鎖，接收機(jī)在短時(shí)間內(nèi)無法跟蹤一顆或多顆可見衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的冗余性，電離層閃爍對定位結(jié)果影響有限，因此本設(shè)計(jì)方案中暫不考慮電離層閃爍的影響。

電離層暴是指由于太陽爆發(fā)的強(qiáng)烈地磁暴引起地球空間環(huán)境發(fā)生劇烈擾動(dòng)，電離層物理參量相對正常狀態(tài)嚴(yán)重偏離的現(xiàn)象。隨著強(qiáng)磁暴的發(fā)生，全球范圍內(nèi)的電離層都會(huì)出現(xiàn)劇烈變化。電離層暴造成較大的電子密度及電子含量梯度變化，將引起電離層時(shí)空相關(guān)性的降低，是影響導(dǎo)航定位系統(tǒng)的重要因素[7]。因此，傳播段故障仿真中主要對電離層暴進(jìn)行建模。

對于SBAS可能存在的電離層擾動(dòng)影響有2種形式[8]：“泡狀”影響是指在平靜電離層環(huán)境包圍中，某一小范圍區(qū)域電離層延遲產(chǎn)生異常變化，且隨時(shí)間變化異常擾動(dòng)只發(fā)生在此范圍內(nèi)，不發(fā)生移動(dòng)，電離層異常區(qū)域呈區(qū)塊狀?！皦Α睜钣绊懯侵冈谄届o電離層環(huán)境上疊加隨距離呈梯度變化，且隨時(shí)間移動(dòng)的擾動(dòng)影響，電離層異常區(qū)域呈延伸狀。

斯坦福大學(xué) GPS實(shí)驗(yàn)室基于北美所在中緯度地區(qū)的電離層異常數(shù)據(jù)提出了局域增強(qiáng)系統(tǒng)（local area augmentation system， LAAS）楔形模型，在該模型中，異常情況下的電離層被認(rèn)為是一個(gè)線性半開放的楔形前端，而且相對于地面以固定的速度在移動(dòng)[9]。楔形模型由電離層異常前端運(yùn)動(dòng)速度、寬度和梯度3個(gè)參數(shù)決定[10]。

結(jié)合以上3種電離層暴的模型，本設(shè)計(jì)方案采用圓臺(tái)來建立電離層暴仿真模型，將該模型加到平靜期的電離層垂直延遲數(shù)據(jù)中來仿真風(fēng)暴期的觀測數(shù)據(jù)[11]。該模型可調(diào)整參數(shù)的大小來仿真不同電離層暴的規(guī)模、方向、速度、前端梯度等。圓臺(tái)的截面圖如圖7所示。該模型實(shí)際是在電離層薄殼模型基礎(chǔ)上加的2維圓形電離層垂直延遲增量。

圖7 圓臺(tái)截面

用戶在人機(jī)交互界面中選擇電離層暴模型的相關(guān)參數(shù)。參數(shù)分為2類：第一類是圓臺(tái)參數(shù)，包括上下底面半徑和最大延遲值（GPS L1頻點(diǎn)電離層垂直延遲增量值）；第二類是模型運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括風(fēng)暴中心點(diǎn)初始經(jīng)緯度、移動(dòng)速度和方向、風(fēng)暴起止時(shí)間。人機(jī)交互界面的電離層暴參數(shù)配置界面如圖8所示。

在觀測數(shù)據(jù)中添加電離層暴的處理流程如圖 9所示。首先根據(jù)觀測站和衛(wèi)星位置，計(jì)算出電離層穿透點(diǎn)（ionosphere pierce point， IPP）經(jīng)緯度，以及傾斜因子。根據(jù)經(jīng)緯度，判斷是否需要加入風(fēng)暴模型的電離層垂直延遲增量值，若需要，則可以加入仿真模型后的雙頻碼偽距和載波相位值，其計(jì)算公式為

圖8 電離層風(fēng)暴參數(shù)配置界面

圖9 添加電離層暴流程

式中：ρ1和ρ2分別是原雙頻碼偽距觀測值；φ1和φ2是原雙頻載波相位觀測值；和是加入電離層暴后的觀測值；c是真空中的光速；f1和f2代表雙頻頻點(diǎn)；FIPP是傾斜因子；h是L1頻點(diǎn)電離層垂直延遲值增量。

3 仿真結(jié)果與分析

本文選取了美國WAAS的zau1站點(diǎn)2015年年積日第 176天 RINEX 2.11版本的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真和測試。由于用戶配置的故障參數(shù)作為誤差項(xiàng)直接加在L1頻點(diǎn)偽距上，因此選擇加入故障前后L1頻點(diǎn)偽距的差值進(jìn)行繪圖可直觀顯示出故障添加的正確性。

3.1 空間信號故障測試結(jié)果

空間信號故障分為 2類，階躍故障和斜坡故障。在GPS的2號衛(wèi)星上分別添加0.01 m/s的斜坡故障和30 m的階躍故障，故障起止時(shí)間是3～4 h，單位為GPS時(shí)(GPS time， GPST)。添加故障與不添加故障的衛(wèi)星L1偽距差值如圖10所示。由圖10可以看出，本文設(shè)計(jì)的軟件可準(zhǔn)確添加2種空間信號故障。

圖10 空間信號故障添加結(jié)果

以 WAAS的zau1站真實(shí)位置為參考值，計(jì)算GPS單頻水平定位誤差，結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，添加了斜坡故障后，定位誤差明顯增大，且隨故障時(shí)間增加，誤差越來越大。去除單顆故障衛(wèi)星后，定位結(jié)果得到顯著改善，與不添加故障的結(jié)果相近。

圖11 空間信號故障定位誤差結(jié)果

3.2 監(jiān)測站故障測試結(jié)果

當(dāng)監(jiān)測站故障導(dǎo)致 RINEX文件不能正常接收時(shí)，故障發(fā)生時(shí)間內(nèi)的所有觀測數(shù)據(jù)都為 0，測試結(jié)果略。當(dāng)監(jiān)測站周圍添加不同方差大小的電磁故障時(shí)，故障起止時(shí)間為1～2 h，添加故障與不添加故障的某顆衛(wèi)星L1偽距差值如圖12所示。由圖12可以看出，方差因子越大，觀測值受到的干擾越大。當(dāng)監(jiān)測站出現(xiàn)電磁故障時(shí)，故障站接收到的所有衛(wèi)星的觀測值都會(huì)受到影響。

圖12 監(jiān)測站電磁故障添加結(jié)果

加入方差因子為10的電磁故障定位 誤差結(jié)果如圖13所示。不加故障時(shí)的定位誤差在1 m左右，加入電磁故障后定位誤差增至最大近20 m。

圖13 監(jiān)測站電磁故障定位結(jié)果

3.3 傳播段故障測試結(jié)果

圖14 圓臺(tái)模型示意

圖15 電離層暴添加結(jié)果

根據(jù)實(shí)際發(fā)生的電離層暴的典型參數(shù)，設(shè)置仿真模型的圓臺(tái)參數(shù)為上底面半徑600 km，下底面半徑800 km，最大延遲值為30 m，模型3維示意圖如圖 14所示。當(dāng)加入電離層暴時(shí)間為 2～3 h，且風(fēng)暴處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所有受到風(fēng)暴影響的衛(wèi)星L1偽距增加值（電離層斜延遲增量）隨時(shí)間變化結(jié)果如圖15所示。穿透點(diǎn)相同時(shí)，衛(wèi)星仰角越低，傾斜因子越大，穿過電離層暴區(qū)域產(chǎn)生的斜延遲量越大。

加入上底面半徑600 km，下底面半徑800 km，最大延遲值為30 m，時(shí)間為2～3 h的電離層暴模型后的定位結(jié)果如圖16所示。由于單頻定位解算中使用的電離層廣播模型無法預(yù)測電離層暴的影響，因此單頻定位誤差可達(dá)到數(shù)十米，而雙頻定位解算可有效減少電離層暴的影響。

當(dāng)風(fēng)暴模型靜止時(shí)，單站所有衛(wèi)星1～7 h穿透點(diǎn)示意圖如圖 17所示。圖中五角星是風(fēng)暴中心位置。以風(fēng)暴中心為圓心，半徑800 km范圍內(nèi)是風(fēng)暴區(qū)域。600 km范圍內(nèi)電離層垂直延遲增量為最大值30 m，600 km到800 km范圍內(nèi)延遲增量呈線性減小。受到風(fēng)暴影響的單顆衛(wèi)星電離層垂直延遲增加值隨時(shí)間變化如圖18所示。測試結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。

圖16 電離層風(fēng)暴定位結(jié)果

圖17 電離層穿透點(diǎn)垂直延遲增量示意

圖18 風(fēng)暴影響下衛(wèi)星電離層垂直延遲增量

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了可通過圖形界面配置參數(shù)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)了添加完好性故障的功能?；趯?shí)際觀測數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，將故障分為了空間信號故障（包括階躍故障和斜坡故障）、監(jiān)測站故障以及傳播段故障。經(jīng)仿真測試驗(yàn)證，空間信號故障影響單顆衛(wèi)星的觀測值，監(jiān)測站故障影響故障站接收到的所有觀測數(shù)據(jù)，傳播段故障影響穿透點(diǎn)在風(fēng)暴區(qū)域內(nèi)的觀測值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與目標(biāo)相符，證明本文的設(shè)計(jì)方案可準(zhǔn)確有效地在觀測值中加入各類完好性故障，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。另外，各類故障參數(shù)在不同條件下的合理取值有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。