北斗D2导航电文解析和完好性性能分析

刘瑞华 陈莹超 吕小平

(中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300)

北斗D2导航电文解析和完好性性能分析

刘瑞华 陈莹超 吕小平

(中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300)

为评估北斗D2导航电文对系统空间信号完好性影响，对D2导航电文结构和内容进行研究。首先，通过基本导航信息的解析，给出了确定卫星位置和用户位置过程所需的信息和时间，并对受卫星星历和时钟影响的用户测距误差做了说明，介绍了电离层误差、对流层误差改正模型。然后，通过增强服务信息的解析，论述了完好性信息(RURA、UDRE)及格网电离层延迟的计算方法。最后给出了使用完好性信息、用户局部误差获取用户定位误差保护级的算法。

北斗 导航电文 完好性 保护级

1 引 言

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS)是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。BDS由空间段、地面段和用户段三部分组成，在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠性的定位、导航和授时服务，并在亚太区域提供短报文通信服务。现阶段，系统已具备区域工作能力。截止到2016年11月，BDS在轨卫星数达到23颗，已开始全球组网建设。

2013年12月，中国卫星导航系统管理办公室发布《北斗系统空间信号接口控制文件(2.0版)》，对北斗导航电文进行了详细说明。用户利用导航电文计算卫星当前的位置，并利用接收机获取的伪距观测量确定自身位置。同时，D2电文中播发的完好性信息及其改正信息对北斗系统完好性的研究具有重要意义。

2 导航电文结构分析

北斗播发的导航电文按速率和结构可以分为D1和D2两种。D1导航电文由中地球轨道(MEO)/倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的B1I和B2I信号播发，内容包含基本导航信息(本卫星基本导航信息、全部卫星历书信息、与其它系统时间同步信息)。D2导航电文由地球静止轨道(GEO)卫星的B1I和B2I信号播发，速率为500bps，内容包含基本导航信息和增强服务信息(北斗系统的差分及完好性信息和格网点电离层信息)。

D2导航电文在传输时按逻辑分成超帧、主帧和子帧。1个超帧包括120个主帧， 1个主帧包含5个子帧。具体内容可分为三部分：第一部分为子帧1，包含本卫星基本导航信息，分10个页面发送；第二部分为子帧2、3、4，包含北斗系统差分及差分完好性信息，每个子帧分6个页面发送；第三部分为子帧5，包含全部卫星历书、格网点电离层信息及与其他系统的时间同步信息，分120个页面发送。

利用电文第一部分计算卫星坐标、卫星钟差、用户坐标、电离层误差、对流层误差；利用电文第二部分进行完好性分析；利用电文第三部分计算全部卫星大致坐标、广域范围的格网法电离层误差、由北斗时转换来的其他各系统时间。

3 确定卫星位置、用户位置及误差补偿

对用户进行定位时，应有n≥4颗卫星对接收机可见。首先由接收到的电文子帧1确定每颗可见星坐标、卫星钟差、电离层误差和对流层误差。由估计的用户坐标和n个可见星坐标获得关联矩阵H，由接收机观测伪距、用户可见星几何距离做差得到观测伪距残差Δρ。使用各卫星钟差、电离层误差、对流层误差对n个Δρ进行修正得到Δρ1矢量，用户坐标和接收机钟差改正量δx可表示为：δx=Δρ1·H-1。重复上述定位过程直至连续两次运算结果满足规定的限差[1]。若使用差分信息进行用户坐标解算，则使用子帧2、3、5得到的格网点电离层误差和等效钟差改正数代替上述电离层误差，以修正伪距残差，其他过程不变。

3.1 确定卫星位置

卫星坐标确定过程见本文附录。分析D2电文可知，卫星定位所需的电文中最先播发的是子帧1页面1字码1第1-11bit的帧同步码，它作为识别电文内容的先兆，使用户易于解调导航电文；最后播发的是子帧1页面10字码3第1-13bit的轨道倾角变化率IDOT(InclinationangleDerivativeofTime)。不考虑运算时间，某卫星坐标确定用时最短为9个主帧加1个子帧1(IDOT所在子帧)的发送时间，即27.6s；最长为10个主帧的发送时间，即30s。

3.1.1 卫星钟差

北斗系统通过地面监控站对卫星的监测，测得星钟对于北斗系统时的偏差，这种偏差称为星钟钟差Δtsv，可以通过公式(1)来改正[2]

Δtsv=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2+Δtr

(1)

式中：a0——时钟偏移，s；a1——时钟漂移，s/s；t——信号发射时刻的北斗时，s；toc——钟差参数参考时间，s；a2——频率漂移(即老化)，s/s2；Δtr——为相对论校正值，s。

利用电文Δtr表达式按公式(2)(3)计算

(2)

F=-2μ1/2/C2

(3)

B1I和B2I频段信号的用户，需要再使用星上设备时延差对星钟钟差按公式(4) (5)进一步修正

(Δtsv)B1I=Δtsv-TGD1

(4)

(Δtsv)B2I=Δtsv-TGD2

(5)

3.1.2 URE和URA

用户测距误差URE(User Range Error)采用空间信号瞬时URE的统计值表示。空间信号瞬时URE是指在不包含用户接收机钟差和测量误差的情况下，实际观测卫星空间信号所得到的伪距值与采用导航电文参数所得到的伪距值之差[3]。它实际是卫星预报轨道和钟差误差在卫星-接收机视距上的投影[4]。

用户测距精度URA (User Range Accuracy)是对卫星段和控制段造成的用户测距误差URE的1σ估计，间接影响用户的定位精度。URA 作为完好性参数将用于评估用户可获得的完好性服务级别。电文中以用户距离精度指数(URAI)表征URA，子帧1第3个字的1-4bit为 URAI，重复周期6s，更新周期1h。

3.2 确定用户位置

3.2.1 电离层误差改正

(6)

式中：t——电离层穿刺点M处的地方时(取值范围为0～86 400)，s；A2——白天电离层延迟余弦曲线的幅度；A4——余弦曲线的周期，s。

A2，A4按公式(7) (8)计算如下

(7)

(8)

式中：φM——电离层穿刺点M的地理纬度，π；αn、βn——电离层延迟改正模型参数，由电文提取。

穿刺点的地理纬度φM、地理经度λM按公式(9) (10)计算为

φM=arcsin(sinφu·cosψ+cosφu·sinψ·cosA)

(9)

(10)

式中：λu、φu——用户地理经纬度，rad；A——卫星方位角，rad；ψ——用户和穿刺点的地心张角，rad。

地心张角ψ按公式(11)计算

(11)

式中：R——地球半径，取值6 378km；E——卫星高度角，rad；h——电离层单层高度，取值375km。

则B1I信号传播路径上的电离层延迟如公式(12)所示

(12)

3.2.2 对流层误差改正

可以采用Saastamoinen模型计算北斗系统对流层延迟。拟合化简后的模型[5]如式(13～16)所示

(13)

E′=E+ΔE

(14)

(15)

(16)

式中：δρ——对流层延迟，m;E——仰角，度；Ps——测站气压，mbar；Ts——测站气温，K；es——测站水气压，mbar；hs——测站海拔高程，m。

4 差分及完好性信息

4.1 等效钟差改正数

等效钟差改正数Δt是对卫星钟差和星历残余误差的进一步修正。用户将Δt加到对该卫星的观测伪距上，以改正上述残余误差对伪距测量的影响。

4.2 格网点电离层信息

4.2.1 格网点垂直延迟及其改正误差

(17)

4.2.2 格网点电离层误差改正算法

用户根据电离层穿刺点(λM,φM)选择其周围的四个(或三个)有效格网点数据，这些格网点能够包围穿刺点，并形成5°×2.5°矩阵(左下角设为1，其他三点按逆时针用2，3，4标记)。利用选定的四个格网点(λi,φi，i=1～4)按公式(18)进行内插

(18)

则各格网点权值Wi按公式(19) 、(20)计算

(19)

(20)

若该观测历元某一个格网标识为无效，则其对应的权值为0。

4.3RURA和UDRE

用户差分测距误差UDRE(Userdifferentialrangeerror)可定义为系统服务区内，可视卫星等效钟差改正误差所对应伪距误差的置信限值(置信度为99.9%)，其概率表示如式(21)所示

Pr=(UDRE>卫星等效钟差改正误差)≥99.9%

(21)

同样，区域用户测距精度RURA(Regional User Range Accuracy)可定义为在系统服务区内，卫星伪距误差的置信限值(置信度为99.9%)，其概率表示如式(22)所示

Pr=(RURA>卫星伪距误差)≥99.9%

(22)

计算UDRE时，观测伪距经过格网点电离层改正、对流层改正、卫星和接收机钟差改正、相对论效应改正、并由载波平滑加以减弱多路径及观测噪声的影响、最后经过等效钟差改正数修正，得到伪距修正值ρ0。利用参考站坐标和由预报星历确定的卫星坐标得到计算伪距ρc，两者差异记作dρ，如公式(23)

dρ=ρ0-ρc

(23)

对所有能观测到该卫星的不同参考站的所有差值dρ进行统计，可得到相应卫星的UDRE，即公式(24)

(24)

计算RURA时，利用广播星历计算电离层延迟，并且不考虑等效钟差改正数的影响。

4.4 定位完好性的确定

用户使用完好性信息，结合本身的伪距观测误差可以进行差分加权定位解算和定位误差保护限HPL(Horizontal Protect Level)、VPL(Vertical Protect Level)的估算。

由最小二乘原理得广域差分定位解，如公式(25)所示

(25)

式中：HTWH——关联矩阵；W——改正伪距的权；y——经差分改正的伪距观测量。用户接收到UDRE、GIVE后，定位完好性确定[7]的表达式如公式(26) (27)所示

K=(HTWH)-1HTW

(26)

(27)

4.5 完好性信息的解析

RURA是北斗区域导航系统为单频非差分用户提供的一项重要指标，以进行精度估计和判定。RURA表示区域范围内某颗卫星的测距精度，描述该卫星的伪距误差。UDRE直接与导航系统的完好性相关，它表示用户差分伪距误差，用来描述等效钟差改正误差，以判断某颗卫星的差分精度。GIVE是格网点电离层垂直延迟IIGP改正误差的估计，用以评估用户电离层延迟改正误差。通过监测RURA、UDRE和GIVE的值来保证完好性，它们分别要以一定的置信度限定最大的卫星伪距误差、卫星等效钟差改正数误差和格网点电离层垂直延迟改正误差，且能对受到的异常影响及时做出反应，以保证服务区内的所有用户安全。

5 结束语

北斗GEO卫星播发的D2导航电文不仅包含所有本卫星基本导航信息，更包含增强服务信息，使之即可参与卫星、用户位置解算，又可用于用户完好性确定。可见星数的增加及电离层误差改正精度的提高对用户定位精度的改善大有帮助。同时，对差分完好性参数及用户完好性确定的保护限的监测也为用户完好性保障提供了一种方法。

[1] 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法(第二版)[M].北京：科学出版社，2008.

[2]BDS-SIS-ICD-2.0.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件(2.0版)[S].中国卫星导航系统管理办公室，2013,12.

[3] 北斗卫星导航系统公开服务性能规范(1.0版)[S].中国卫星导航系统管理办公室，2013,12.

[4] 胡志刚.北斗卫星导航系统性能评估理论与试验验证[D].武汉：武汉大学博士学位论文，2013.

[5] 王新龙，李亚峰.GPS定位中4种对流层延迟修正模型适应性分析[J].电光与控制，2008.15.(11):5～9.

[6] 刘慧芹. 广域差分GPS完好性监测研究[D].上海:同济大学硕士学位论文，2007.

[7] 陈金平.GPS完善性增强研究[D].郑州：解放军信息工程大学，2001.

Analysis of D2 Navigation Message and IntegrityPerformance of BDS

LIU Rui-hua CHEN Ying-chao LV Xiao-ping

(School of Electronic Information and Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

In order to evaluate the effect of BeiDou satellite system(BDS) D2 navigation message to signal in space (SIS) integrity, the BeiDou D2 navigation message was researched in the structure and the content. At first,Through the analysis of basic navigation information, the message and time used in the process for determining satellite position and user position were given. Simultaneously, the user ranging error which influenced by satellite ephemeris and clock was illustrated, the ionosphere and tropospheric error correction model were introduced either. Then, through the analysis of enhanced service information, the calculation method of integrity information (RURA, UDRE) and grid ionospheric delay were discussed. Finally, the calculation method of protection level (PL) for user positioning error that use integrity information and user local error was given.

BeiDou Navigation message Integrity Protection level

2016-04-08，

2016-11-28

国家重点研发计划项目“广域航空安全监控技术及应用”(2016YFB0502402)；民航安全能力建设项目“北斗机载设备技术标准规定与应用研究”(AADSA0007)

刘瑞华(1965-)，男，教授、 研究生导师, 主要研究方向:卫星导航及惯性导航和组合导航。

1000-7202(2017) 02-0081-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.17

TN964

A