卫星导航系统性能规范及其评估结果研究

宋晓丽，耿长江

（中国卫星导航系统管理办公室 测试评估研究中心/中国航天电子技术研究院 卫星导航系统工程中心，北京 100094）

0 引言

随着卫星导航系统的发展，目前已形成了以北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）、美国全球定位系统（global positioning system， GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system， GLONASS）和欧盟伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system， Galileo）4大全球卫星导航系统（global navigation satellite system， GNSS）等多系统并存的态势。卫星导航系统性能已成为卫星导航领域竞争的重点。在全球卫星导航系统国际委员会（International Committee on Global Navigation Satellite Systems，ICG）、国际民航组织（International Civil Aviation Organization， ICAO）和美国导航学会（The Institute of Navigation， ION）会议等重大会议上都会有服务性能指标体系的相关议题。但目前 GNSS应用领域内尚未形成统一服务性能指标体系，因此深入研究各卫星导航系统服务性能规范及指标体系具有重要意义，将进一步加强对性能指标和评估方法的认识，有利于逐步形成统一服务性能规范及指标体系。

本文在研究BDS、GPS、GLONASS和Galileo 4大卫星导航系统服务性能指标体系的基础上，给出了相关指标的评估算法，并通过国际GNSS服务组织（International GNSS Service， IGS）、信息分析中心（Information and Analysis Center， IAC）和国际 GNSS监测评估系统（international GNSS monitoring and assessment system， iGMAS）提供的数据与产品对4个系统的服务性能进行评估，与服务性能规范相比较，以验证其服务性能。

1 服务性能规范及指标体系

目前，GPS已发布了4版《GPS标准定位服务性能标准》[1-4]（global positioning system standard positioning service performance standard， GPS SPS PS），有完善的卫星导航系统服务性能评估体系，在4大卫星导航系统中是最成熟的。监测评估领域内正在努力推进的GNSS服务性能指标体系很大程度上参考了GPS服务性能指标体系。

GLONASS官方尚未发布类似GPS SPS PS的GLONASS服务性能规范，但已向GLONASS重要应用领域——国际民航组织提交了 GLONASS服务性能参数，会根据GLONASS状态进行指标更新。国际民航组织公约附件10《全球卫星导航系统标准和建议措施及指导材料（2011年第86次修订版）》[5]（以下简称“民航公约附件 10”）中给出了 GLONASS标准精度通道服务性能指标，包括定位精度和可用性、测距精度、时间转换精度和可靠性等。

BDS计划在2020年前后，完成35颗卫星发射组网，为全球用户提供服务，已于2012年12月27日完成区域阶段部署，可为亚太大部分地区提供公开服务。2013年12月 BDS正式发布了《北斗卫星导航系统公开服务性能规范（V1.0）》[6]（以下简称“BDS服务规范”）。

Galileo是欧洲独立发展的全球卫星导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，计划由30颗卫星组成，已于 2016年 12月具备初始运行服务能力，将在2020年具备全面运行能力。2002年欧洲空间局发布的《Galileo任务顶层定义》[7]文件中明确提到了Galileo提供5种服务，针对公开服务、商业服务、生命安全服务、公共管制服务和搜救服务首次给出了性能指标参数。随着Galileo的不断发展完善，2016年欧洲委员会对外发布了《Galileo初始服务公开服务定义文档》[8]（Galileo initial service-open service-service definition document， Galileo OS SDD），类似 GPS SPS PS 和BDS服务规范。

本文按照BDS、GPS、GLONASS和Galileo的服务性能规范，梳理出了现阶段各自的公开服务性能参数，如表1所示。

表1 各卫星导航系统服务性能参数

续表1

表1中：URE（user ranging error）为用户测距误差；PDOP（position dilution of precision）为位置精度衰减因子；GGTO（Galileo to GPS time offset）为Galileo与GPS系统时偏差。

从表1可以得知BDS服务性能指标体系与GPS服务性能指标体系类似，二者有13个共同的服务性能参数。但各卫星导航系统更多的立足于系统自身性能的角度来定义服务性能指标体系，故而参数类型有所不同，主要体现在以下几点：

1）GPS有 11大类 24个服务性能参数，GLONASS有8大类16个服务性能参数，BDS有9大类14个服务性能参数，Galileo有 6大类 11个服务性能参数；

2）Galileo服务性能参数类型与其他系统差异较大，参数类型相对其他系统较少，但对具体某类参数进行了详细划分，从多角度展开评估；

3）覆盖性能评估方面，BDS采用单星覆盖范围来评估，GPS采用单星覆盖范围和星座覆盖范围来评估，Galileo和GLONASS采用星座覆盖范围来评估；

4）空间信号精度评估方面，各卫星导航系统都涉及到了测距误差，同时各系统结合自身特点采用其他参数来评估；

5）服务性能评估方面，GPS和GLONASS对定位精度和可用性的评估，分为全球平均和最坏情况来评估，BDS针对全球平均情况来评估，Galileo尚未给出相应的评估；

6）现阶段，仅 GPS公开发布的规范中涉及了空间信号完好性参数，其他系统的规范中尚未涉及该参数，仅GLONASS涉及了可靠性参数，其他系统尚未涉及该参数。

2 服务性能指标对比分析

GPS L1频点服务性能指标要求参照《GPS SPS PS》，GLONASS L1频点服务性能指标要求参照《民航公约附件10》，BDS B1频点服务性能指标要求参照《BDS服务规范》，Galileo E1、E5a、E5b单频或双频组合服务性能指标要求参照《Galileo OS SDD》

，各系统的服务性能指标具体如表2所示。表2中：GEO（geostationary Earth orbit）为地球静止轨道；IGSO（inclined geosynchronous satellite orbit）为地球倾斜同步轨道；MEO（medium Earth orbit）为中圆地球轨道。

从表2可以看出，BDS和GPS的测距率误差、测距加速度误差和PDOP可用性指标要求相同，同时各系统由于各自发展阶段和认知的不同，以及各系统自身设计的考虑，系统服务性能指标要求存在差异：

1）指标要求适用频点不同。GPS、GLONASS和BDS的服务性能指标针对单频点信号，而Galileo的服务性能指标适合初始运行服务的单频点和双频点信号。

表2 各系统服务性能指标分析

2）单星或星座覆盖范围不同。各卫星导航系统卫星高度和主波束角的不同，决定了卫星信号可覆盖到地面以上多少千米的范围内。

3）单星测距误差指标要求不同。这由各卫星导航系统轨道误差和钟误差决定；Galileo的卫星钟性能最优，故而 Galileo的单星测距误差指标要求最高。

4）非计划故障中断指标要求不同。GPS非计划故障中断指标要求最高，结合日常监测结果而言，GPS信号中断最少；BDS非计划故障中断指标要求结合系统自身的特殊性，分 GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星3类卫星给出；GLONASS和Galileo尚未给出非计划故障中断指标要求。

5）告警机制不同（状态与问题报告）。BDS尚未发布告警机制；Galileo对于计划事件的告警要比GPS的告警提前24 h，对于非计划事件的告警给出了明确的时间范围；GLONASS在俄罗斯航天国家集团中央机械制造研究院信息分析中心网上给出了告警，但并未对告警时间给出严格要求。

6）单星可用性指标要求不同。这与各卫星导航系统信号中断时间密切相关；结合日常监测结果而言，GPS信号中断较少，中断时间较短。

7）定位精度和定位可用性指标要求不同。这与系统自身的服务性能以及对电离层参数等其他参数的改正精度有关；结合日常监测情况而言，GPS的定位精度指标要求较为保守；推测Galileo由于尚在建设中，暂未给出该部分指标。

3 服务性能实测评估

3.1 服务性能评估算法

各系统性能指标评估算法整体思路基本一致，在具体参数设置上由于系统自身的差异会有所不同，本文给出了空间信号 URE、空间信号连续性、空间信号可用性、PDOP可用性和单点定位精度指标评估算法。

1）URE精度。空间信号 URE是导航卫星位置与钟差的实际值与利用导航星历得到的预测值之差，是导航电文（导航星历和钟差）精度的确切反映，主要组成部分是轨道误差和卫星钟误差，一般用“全球平均 URE”来表征。轨道误差通过广播轨道与精密轨道作差获得，卫星钟误差除广播钟差与精密钟差作差外，还需要消除各卫星由于基准钟不同而对钟差产生的差异；计算公式为式中：URE为用户测距误差；R为径向误差；C为法向误差；A为切向误差；T为钟误差；c为光速；α、β为系数。各系统卫星高度不同，对应的系数值不同[9-12]：BDS GEO/IGSO卫星，α和β分别为 0.99和 1/127；BDS MEO卫星，α和β分别为0.98和1/54；GPS卫星，α和β分别为0.98和0.141；GLONASS卫星，α和β分别为0.98和0.149；Galileo卫星，α和β分别为0.985 3和0.120 8。

2）空间信号连续性。空间信号连续性是指规定时间段内空间信号保持健康而不发生非计划中断的概率。从可靠性的原理出发，可推出系统在一段时间内的可靠运行概率，则任意1 h内系统可靠运行的概率，即连续性概率，其的计算式为

式中：P为连续性；MTBF为平均故障间隔时间。MTBF越小，则故障发生越频繁，连续性越差；反之连续性越好。由于空间信号连续性与非计划中断密切相关，因此计算MTBF时，要剔除由计划中断（至少提前48 h预报）引起的故障。

3）空间信号可用性。空间信号可用性（单星可用性）是规定轨道位置上的卫星提供健康空间信号的概率，可通过卫星健康可运行时间与实际总运行时间的比值得到。空间信号可用性计算公式为

式中：A为连续性；U为卫星健康可运行时间，根据 BDS接口控制文件中定义“卫星自主健康信息（SatH1）”，“0”表示卫星可用，“1”表示卫星不可用；T为卫星实际总运行时间。

4）PDOP。PDOP能反映卫星的空间几何分布情况，PDOP越小，空间几何分布越好，反之空间几何分布越差。根据某一时刻导航电文中的卫星位置，可计算出该时刻全球任意位置的PDOP值，计算过程中，需剔除低高度角卫星。PDOP可用性是PDOP的统计值。

5）定位精度。定位误差是系统提供给用户的位置与用户真实位置之间的误差，由广播星历提供的卫星轨道位置和观测文件提供的卫星各频点伪距观测值列出观测方程，用最小二乘法求解获得。其中，要剔除低高度角卫星，并对对流层、电离层、相对论效应等进行改正。定位精度是定位误差的统计值，本文取定位误差的95 %。

3.2 服务性能评估结果

本文利用 iGMAS、IAC和 IGS多GNSS实验网（multi-gnss experiment， MGEX）提供的数据和产品，根据 3.1节给出的评估算法，评估各系统2018年 1月1日至2018年9月 30日期间的空间信号性能和导航服务性能。

1）空间信号精度。利用 2018年 1月 1日至2018年 9月 30日期间 BDS广播星历和 iGMAS精密星历、GPS广播星历和IGS精密星历、GLONASS广播星历和 IAC精密星历、Galileo广播星历和iGMAS精密星历计算各系统的空间信号精度，如图1所示。

图 1中，横线代表了各卫星导航系统对各系统空间信号精度的指标要求，从中可以看出各卫星导航系统空间信号精度满足指标要求。其中，GPS SVN34（PRN04）号卫星已退役，GLONASS GC723（SLOT12）号卫星没有精密星历数据，故未参与统计。Galileo未发射和未播可用信号卫星未参与统计。

2）空间信号连续性。分别利用2018年1月1日至2018年9月30日期间BDS广播星历和中断类型、GPS广播星历和导航卫星用户告警信息、GLONASS广播星历和IAC告警信息计算各系统的空间信号连续性，如图2所示。

从图 2中可以看出：BDS单星空间信号连续性在排除计划中断的情况下均满足指标要求；GPS单星空间信号连续性在排除计划中断的情况下均满足指标要求，GPS SVN34（PRN04）号卫星已退役，故未参与统计；由于GLONASS没有公布空间信号连续性标准，暂不评定GLONASS卫星空间信号连续性性能是否满足指标要求，但统计结果仍可反映出GLONASS卫星空间信号的连续性情况，可供参考。

图1 各卫星导航系统空间信号精度

图2 各卫星导航系统空间信号连续性

Galileo还处于系统建设阶段，并且 Galileo尚未对外公布空间信号连续性性能标准，故本文暂未评估Galileo卫星空间信号连续性。随着未来Galileo发射更多卫星后，后续将进一步开展Galileo卫星空间信号连续性评估工作。

3）空间信号可用性。分别利用2018年1月1日至2018年9月30日期间 BDS、GPS、GLONASS和Galileo各系统的广播星历计算各系统的空间信号可用性，如图3所示。

从图3中可以看出：BDS各卫星空间信号可用性均满足指标要求，GEO-3号卫星服役已到期限，相比其他卫星而言可用性较低，于2018年9月29日处于维护状态；GPS空间信号可用性满足指标要求，SVN34（PRN04）号卫星已退役，故未参与统计；GLONASS没有公布空间信号可用性标准，暂不评定GLONASS卫星空间信号可用性是否满足指标要求，但统计结果仍可反映出GLONASS卫星空间信号的可用性情况，可供参考。Galileo各卫星空间信号可用性均满足指标要求，系统未发射和未播可用信号卫星未参与统计。

4）PDOP可用性。分别利用2018年9月1日至2018年9月30日期间BDS、GPS、GLONASS和Galileo各系统的广播星历，按照前面提到的算法，计算BDS服务区域内和其余系统全球区域内各个格网点（2.5°×5°）PDOP≤6可用性的统计情况，如表3所示。

表3 PDOP可用性

从表 3可以看出，GPS、GLONASS全球区域内，BDS服务区域内，PDOP≤6可用性约为100 %。Galileo随着后续新卫星的发射，PDOP≤6可用性将会有更明显提高。

5）定位精度。利用iGMAS和 IGS MGEX各站提供的BDS B1I频点、GPS L1频点、GLONASS G1频点和 Galileo E1频点观测数据分别进行单点伪距定位解算，对定位精度（PDOP≤6）进行统计，结果如表4所示。

图3 各卫星导航系统空间信号可用性

表4 各系统各站定位结果（95 %） m

从表4可以看出，各站BDS B1I水平定位精度处于2 m左右，垂直处于5 m左右，满足BDS指标要求（水平≤10 m，垂直≤10 m）。GPS L1频点水平定位精度处于2 m左右，垂直处于5 m左右，满足GPS指标要求（水平≤9 m，垂直≤15 m）。GLONASS G1频点水平定位精度处于8 m左右，垂直处于14 m左右，满足民航公约附件10最差位置指标要求（水平≤12 m，垂直≤25 m）。Galileo尚未给出定位精度指标要求，统计结果供参考。

4 结束语

本文研究了BDS、GPS、GLONASS和Galileo各卫星导航系统的服务性能指标及其评估算法，并对各系统服务性能指标进行了对比分析。在此基础上，利用iGMAS、IAC和IGS MGEX提供的数据和产品，对各系统空间信号精度、空间信号连续性、空间信号可用性、PDOP可用性和定位精度性能进行了评估。从评估结果可以看出，各系统服务性能均可满足各自的指标要求。

系统服务性能评估需要建立统一的规范，GPS SPS PS相对成熟，BDS、Galileo也公布了各自的公开服务性能规范文件，GLONASS尚未发布公开服务性能规范文件，缺乏公开的性能指标测试评估方法。随着卫星导航系统的不断发展，期望加强各系统的交流与合作，建立统一的、适用于各系统的GNSS公开服务性能规范，进一步提升各系统服务性能，推进卫星导航系统在航空、海事和交通等领域中的应用。