《電子技術(shù)應(yīng)用》
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面向NPA的北斗系統(tǒng)PNT性能評(píng)估體系研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
尚曉輝1,,崔曉偉1,郭 婧2,,關(guān) 峰1
1.清華大學(xué) 電子工程系,,北京100084;2.中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院,,北京100028
摘要: 依據(jù)當(dāng)前“5GEO+6IGSO+3MEO”星座配置下的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS),,結(jié)合民航非精密進(jìn)近(NPA)的應(yīng)用需求,提出適合BDS定位,、導(dǎo)航和授時(shí)(PNT)服務(wù)層的性能評(píng)估指標(biāo)體系及關(guān)系模型,,給出BDS關(guān)鍵PNT性能指標(biāo)的評(píng)估方法。通過(guò)首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)BDS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析,,對(duì)精度,、完好性、連續(xù)性以及可用性等PNT性能指標(biāo)進(jìn)行了定量評(píng)估,。
中圖分類號(hào): TN967.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171430
中文引用格式: 尚曉輝,,崔曉偉,郭婧,,等. 面向NPA的北斗系統(tǒng)PNT性能評(píng)估體系研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,43(11):74-77,,81.
英文引用格式: Shang Xiaohui,,Cui Xiaowei,Guo Jing,,et al. Research on the PNT performance evaluation indicators framework of BDS for NPA of civil aviation[J].Application of Electronic Technique,,2017,,43(11):74-77,81.
Research on the PNT performance evaluation indicators framework of BDS for NPA of civil aviation
Shang Xiaohui1,,Cui Xiaowei1,,Guo Jing2,Guan Feng1
1.Department of Electronic Engineering,,Tsinghua University,,Beijing 100084,China,; 2.Chinese Civil Aviation Institute of Science and Technology,,Beijing 100028,China
Abstract: Based on the current "5GEO+6IGSO+3MEO" constellation configuration of Beidou Navigation Satellite System(BDS), combined with the requirements for Non-Precision Approach(NPA) of civil aviation, this paper proposed Positioning, Navigation and Timing(PNT) performance evaluation indicators framework and relationship model for BDS, and the key indicators are also given to evaluate the PNT performance of BDS. Through the collation and analysis of the truthful data of BDS in Beijing capital international airport,,the quantitative evaluation of PNT performance indicators, such as accuracy,,integrity,continuity and availability, is carried out.
Key words : Beidou navigation satellite system,;positioning,,navigation and timing;performance evaluation indicators framework,;accuracy

0 引言

    北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System,,BDS)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),,于2012年完成了由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星(Geostationary Earth Orbit,,GEO)、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(Inclined Geosynchronous Orbit,,IGSO)和4顆中圓地球軌道衛(wèi)星(Medium Earth Orbit,,MEO)構(gòu)成的空間星座組網(wǎng)[1],正式向亞太區(qū)域提供定位,、導(dǎo)航和授時(shí)(Positioning, Navigation and Timing,PNT)服務(wù),。遵循“先試驗(yàn),、后區(qū)域、再全球”的三步走發(fā)展戰(zhàn)略[2],,BDS將于2020年建設(shè)成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),,正式向全球用戶提供服務(wù)。

    2016年8月5日,,BDS第22顆衛(wèi)星已完成在軌測(cè)試,、入網(wǎng)測(cè)試評(píng)估等工作,正式入網(wǎng)提供服務(wù),,衛(wèi)星編號(hào)13[3],。BDS星座構(gòu)型也更新為“5GEO+6IGSO+3MEO”。

    本文基于當(dāng)前星座配置下的BDS,從民用航空界公認(rèn)的評(píng)價(jià)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的指標(biāo)參數(shù)集合,,即精度,、完好性、連續(xù)性以及可用性等入手展開(kāi)研究,,提出了面向民航應(yīng)用的BDS PNT服務(wù)層性能評(píng)估指標(biāo)體系,,并對(duì)PNT性能指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行了梳理,建立了評(píng)估模型,;依據(jù)國(guó)際民用航空組織(International Civil Aviation Organization,,ICAO)發(fā)布的航空無(wú)線電導(dǎo)航必備性能(Required Navigation Performance,RNP)要求,,結(jié)合民航非精密進(jìn)近(Non-Precision Approach,,NPA)階段的應(yīng)用,最終給出BDS關(guān)鍵PNT性能指標(biāo)的評(píng)估方法,;在采集分析首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)7天BDS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,,對(duì)BDS定位精度、完好性,、連續(xù)性以及可用性等四大PNT服務(wù)層性能指標(biāo)進(jìn)行了定量評(píng)估,。

1 BDS PNT性能評(píng)估指標(biāo)體系

    民用航空界用來(lái)評(píng)價(jià)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的指標(biāo)參數(shù)主要包括四大性能指標(biāo):精度、完好性,、連續(xù)性和可用性[4],。

    雖然全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)及BDS官方文件對(duì)四大性能指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)闡述,,從系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)的角度對(duì)空間信號(hào)(Signal In Space,,SIS)層性能進(jìn)行了說(shuō)明和規(guī)范,從面向用戶的角度對(duì)定位,、測(cè)速和授時(shí)(Position,、Velocity、and Time,,PVT)服務(wù)層性能進(jìn)行了描述和評(píng)估,,但對(duì)于民航用戶關(guān)心的連續(xù)性、可用性尤其是完好性等PNT性能指標(biāo)都沒(méi)給出明確的評(píng)估方法,,故有必要對(duì)面向民航應(yīng)用的BDS PNT性能指標(biāo)體系進(jìn)行建模及評(píng)估,。

1.1 BDS PNT性能評(píng)估指標(biāo)體系

    本文從面向用戶的PNT服務(wù)層角度對(duì)四大性能評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行了進(jìn)一步分解,確定了面向民航應(yīng)用的BDS PNT性能評(píng)估指標(biāo)參數(shù)體系,,主要分為反映BDS導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的“信號(hào)級(jí)參數(shù)”和反映BDS PNT服務(wù)性能的“信息級(jí)參數(shù)”兩大類,,如圖1所示。

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    眾所周知,,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般由空間段,、地面控制段以及用戶段三部分構(gòu)成,,在進(jìn)行系統(tǒng)誤差分析時(shí),通常把空間段及地面控制段部分引入的誤差劃分為SIS層性能指標(biāo),。從這個(gè)角度看,,包含用戶段誤差成分的“信號(hào)級(jí)參數(shù)”也可以被認(rèn)為是面向用戶的PNT服務(wù)層性能指標(biāo)。

    不同接收機(jī)的輸出格式和內(nèi)容可能會(huì)有所不同,,但通常均輸出跟蹤環(huán)路所測(cè)量的偽距,、多普勒頻移、載波相位和載噪比等測(cè)量值及信息,。這些測(cè)量信息的精度直接反映導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的好壞,,被稱為“信號(hào)級(jí)參數(shù)”。這是本文劃分“信號(hào)級(jí)參數(shù)”與“信息級(jí)參數(shù)”的重要依據(jù),。

1.2 BDS PNT性能評(píng)估指標(biāo)關(guān)系模型

    到目前為止,,由精度、完好性,、可用性,、連續(xù)性等PNT性能指標(biāo)構(gòu)成的評(píng)估體系內(nèi)各指標(biāo)之間的關(guān)系還沒(méi)有公認(rèn)的結(jié)論。文獻(xiàn)[5]給出了兩種描述四大PNT性能指標(biāo)之間關(guān)系的模型,,分別為:球殼模型和金字塔模型,。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[4]提出了一種改進(jìn)型模型,,稱作“平行遞進(jìn)模型”,。該模型把四大性能指標(biāo)劃分為基礎(chǔ)性能層和擴(kuò)展性能層,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)PNT性能的描述更加準(zhǔn)確和科學(xué),,為性能指標(biāo)評(píng)估方法的具體實(shí)現(xiàn)提供了理論支撐,。

    本文在“平行遞進(jìn)模型”基礎(chǔ)上對(duì)面向民航應(yīng)用的“BDS PNT性能評(píng)估指標(biāo)體系”內(nèi)各指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行了整理分析,建立了如圖2所示的關(guān)系模型,。

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    模型整體分為兩個(gè)層次:基礎(chǔ)性能層和擴(kuò)展性能層,。處于模型下方的為基礎(chǔ)性能層,包括精度和完好性指標(biāo),,代表BDS應(yīng)該具備的基本性能,,在地位上是相互平等的;位于模型上方的是擴(kuò)展性能層,,是對(duì)基礎(chǔ)性能層的遞進(jìn)和擴(kuò)展,是精度和完好性指標(biāo)在空域和時(shí)域上的統(tǒng)計(jì),,包括連續(xù)性和可用性,,兩者在地位上也互相平等。

2 BDS關(guān)鍵PNT性能指標(biāo)評(píng)估方法

    ICAO對(duì)民航NPA階段四大性能指標(biāo)的RNP要求如表1所示[6],。

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    接下來(lái)給出BDS關(guān)鍵PNT性能指標(biāo)的評(píng)估方法,。

2.1 精度

    衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)為運(yùn)載體所提供的實(shí)時(shí)位置與其真實(shí)位置之間的重合度[7],,無(wú)特別強(qiáng)調(diào)的情況下一般指定位精度。

2.1.1 定位精度

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    之后,,通過(guò)統(tǒng)計(jì)運(yùn)算最終得到95%置信度的BDS水平,、垂向定位精度。

2.1.2 UERE預(yù)算

    用戶等效距離誤差(User Equivalent Range Error,,UERE)預(yù)算包含用戶測(cè)距誤差(User Range Error,,URE)和用戶設(shè)備誤差(User Equipment Error,UEE)兩部分[8],。三者關(guān)系如下:

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    依據(jù)《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開(kāi)服務(wù)性能規(guī)范(1.0版)》,,可知BDS 95%置信度的URE指標(biāo)為2.5 m[9],將其轉(zhuǎn)換為1σ指標(biāo),,即:

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    對(duì)于UEE指標(biāo),,目前BDS還沒(méi)有合適的預(yù)算模型,本文選取GPS相關(guān)模型作為參考[10],,利用式(5),,最終得到BDS UERE預(yù)算,如表2所示,。

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2.2 完好性

    假定“完好性損失僅由單顆衛(wèi)星故障造成”以及“接收機(jī)在工作期間是無(wú)故障的”[11],,在接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM)技術(shù)被用來(lái)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的前提下,,完好性指標(biāo)的評(píng)估方法如下:

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其中,,CTI是指連續(xù)時(shí)間間隔(Continuity Time Interval,CTI),,NPA階段的ICAO RNP是以小時(shí)為單位統(tǒng)計(jì)的,,所以在這里CTI=1 h;MTBFint是指完好性損失平均間隔時(shí)間,,它被計(jì)算為總時(shí)間除以完好性損失事件的數(shù)目,。

    任何以下事件被統(tǒng)計(jì)為完好性損失事件:

    (1)定位精度大于水平告警門(mén)限(Horizontal Alert Limit,HAL),,ICAO對(duì)NPA階段的HAL要求為556 m,;

    (2)持續(xù)告警時(shí)限(Time To Alarm,TTA)以上時(shí)間的RAIM不可用事件,,ICAO對(duì)NPA階段的TTA要求為10 s,;

    任何以下事件被稱為RAIM不可用事件:

    (1)可見(jiàn)星數(shù)小于5,導(dǎo)致水平保護(hù)級(jí)別(Horizontal Protection Level,,HPL)無(wú)法計(jì)算,;

    (2)計(jì)算的HPL大于HAL(556 m)。

    HPL的計(jì)算方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12],,本文不再贅述,。

2.3 連續(xù)性

    根據(jù)可靠性基本原理,,連續(xù)性指標(biāo)的評(píng)估方法如下:

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其中,CTI取值為1 h,;MTBFcon是指連續(xù)性損失平均間隔時(shí)間,,它被計(jì)算為總時(shí)間除以連續(xù)性損失事件的數(shù)目。

    任何以下事件被統(tǒng)計(jì)為連續(xù)性損失事件:

    (1)水平定位精度大于220 m,,導(dǎo)致定位精度不可用,;

    (2)持續(xù)10 s以上時(shí)間的RAIM不可用事件。

    需要注意的是,,連續(xù)性損失事件只統(tǒng)計(jì)BDS非計(jì)劃中斷,。

2.4 可用性

    同連續(xù)性的統(tǒng)計(jì)方法類似,可得可用性指標(biāo)的評(píng)估公式:

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其中,,MTBFava是指可用性損失平均間隔時(shí)間,,被計(jì)算為總時(shí)間除以可用性損失事件的數(shù)目;MTTR是平均故障恢復(fù)時(shí)間,,被計(jì)算為可用性損失事件持續(xù)時(shí)間除以可用性損失事件的數(shù)目,。

    可用性損失事件的統(tǒng)計(jì)和連續(xù)性略有不同,還需包含BDS計(jì)劃中斷,。

    任何以下事件被統(tǒng)計(jì)為可用性損失事件:

    (1)水平定位精度大于220 m,;

    (2)RAIM不可用事件。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

    本文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目《“北斗二代”在民用航空導(dǎo)航中的應(yīng)用研究》,。

    限于篇幅,,本文只提取了北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)2017年2月23日至3月1日共7天的靜態(tài)單點(diǎn)數(shù)據(jù),依照上節(jié)所述評(píng)估方法進(jìn)行了后處理分析,。其中,,接收機(jī)相關(guān)設(shè)定如下:

    (1)測(cè)距碼:BDS B1I信號(hào)測(cè)距碼;

    (2)采樣頻率:1 Hz,;

    (3)遮蔽角:10°,;

    (4)電離層延時(shí)校正模型:Klobuchar電離層模型;

    (5)對(duì)流層延時(shí)校正模型:Saastamoinen對(duì)流層模型,;

    (6)RAIM可用性判定與故障檢測(cè)算法:加權(quán)最小二乘RAIM算法,,最大虛警概率為1×10-5,漏檢概率為0.001,;

    (7)BDS UERE預(yù)算模型被用來(lái)參與PVT解算及RAIM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。

    水平定位誤差分布如圖3所示??梢钥吹?,水平誤差集中在1~4 m,最大水平誤差不超過(guò)8 m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于NPA階段220 m的ICAO要求,。

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    以天為單位的95%置信度定位精度的分布情況如圖4所示??梢钥闯?,評(píng)測(cè)期間BDS水平定位精度均小于5 m,垂向定位精度均小于7 m,。所以,,精度指標(biāo)滿足NPA階段的ICAO要求。

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    另外,,觀測(cè)周期內(nèi)沒(méi)有可見(jiàn)星數(shù)小于5顆的情況,;出現(xiàn)了9次HPL超限(HPL>556 m)的情況,持續(xù)時(shí)間均為1 s,,持續(xù)10 s以上的RAIM不可用事件不存在,;最大水平定位誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于HAL,沒(méi)有出現(xiàn)定位精度超限的情況,。所以,,完好性指標(biāo)評(píng)估為100%,滿足NPA階段ICAO要求,。

    對(duì)于擴(kuò)展性能連續(xù)性及可用性來(lái)說(shuō),,依照第3節(jié)的評(píng)估方法,連續(xù)性計(jì)算為100%,,可用性99.9985%,,均滿足ICAO要求。

4 結(jié)論

    本文基于當(dāng)前“5GEO+6IGSO+3MEO”星座架構(gòu)下的BDS,,結(jié)合民航NPA階段的應(yīng)用需求,,提出了面向民航應(yīng)用的BDS PNT服務(wù)層性能評(píng)估指標(biāo)體系,建立了性能指標(biāo)關(guān)系模型,,給出了BDS關(guān)鍵PNT服務(wù)層性能指標(biāo)的評(píng)估方法,;采集分析首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)7天實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),定量評(píng)估了BDS精度,、完好性,、連續(xù)性以及可用性等PNT服務(wù)層性能指標(biāo)。從評(píng)估結(jié)果可以看出:

    (1)水平定位誤差集中分布在1~4 m,,最大水平定位誤差小于8 m,,95%水平定位精度優(yōu)于5 m,BDS精度指標(biāo)滿足要求,。

    (2)水平定位精度遠(yuǎn)小于556 m,,沒(méi)有10 s以上RAIM不可用事件發(fā)生,BDS完好性指標(biāo)100%,,滿足要求,。

    (3)水平定位精度均小于220 m,,不存在10 s以上RAIM不可用事件,連續(xù)性100%,,BDS連續(xù)性指標(biāo)滿足要求,。

    (4)HPL超限情況出現(xiàn)了9次,每次持續(xù)時(shí)間均為1 s,,可用性99.9985%,,BDS可用性指標(biāo)滿足要求。

    綜上所述,,BDS精度,、完好性、連續(xù)性以及可用性等PNT服務(wù)層性能均滿足NPA階段ICAO RNP要求,。

    最后,,以下兩點(diǎn)需要注意:

    (1)上述結(jié)論僅僅是建立在北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)7天單點(diǎn)定位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的,結(jié)論在空間和時(shí)間上的推廣還需要后續(xù)大量的數(shù)據(jù)支撐,,這也是本文今后的努力方向,。

    (2)本文BDS“完好性100%、連續(xù)性100%,、可用性99.85%”等評(píng)估結(jié)果是結(jié)合NPA階段ICAO RNP要求“HAL=556 m,,TTA=10 s”等得出的,目前還無(wú)法滿足ICAO對(duì)于民航精密進(jìn)近等階段的應(yīng)用要求,。

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