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1、面向 NPA 的北斗系统 PNT 性能评估体系研究 尚晓辉 崔晓伟 郭婧 关峰 清华大学电子工程系 中国民航科学技术研究院 摘 要： 依据当前“5GEO+6IGSO+3MEO”星座配置下的北斗卫星导航系统 (BDS) , 结合民航非精密进近 (NPA) 的应用需求, 提出适合 BDS 定位、导航和授时 (PNT) 服务层的性能评估指标体系及关系模型, 给出 BDS 关键 PNT 性能指标的评估方法。通过首都国际机场 BDS 实测数据的整理分析, 对精度、完好性、连续性以及可用性等 PNT 性能指标进行了定量评估。关键词： 北斗卫星导航系统; 定位、导航和授时; 性能评估指标体系; 精度; 作者
2、简介：尚晓辉 (1984-) , 男, 硕士研究生, 主要研究方向:卫星导航数据处理与性能评估。作者简介：崔晓伟 (1976-) , 通信作者, 男, 博士, 副教授, 主要研究方向:卫星导航, E-mail:。收稿日期：2017-04-04基金：国家自然科学基金联合基金重点资助项目 (U13332031014886) Research on the PNT performance evaluation indicators framework of BDS for NPA of civil aviationShang Xiaohui Cui Xiaowei Guo Jing Guan Fen
3、g Department of Electronic Engineering , Tsinghua University; Chinese Civil Aviation Institute of Science and Technology; Abstract： Based on the current 5 GEO + 6 IGSO + 3 MEO constellation configuration of Beidou Navigation Satellite System ( BDS) , combined with the requirements for Non-Precision
4、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 truthfu
5、l 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.Keyword： Beidou navigation satellite system; positioning; navigation and timing; performance evaluation indicato
6、rs framework; accuracy; Received： 2017-04-040 引言北斗卫星导航系统 (Beidou Navigation Satellite System, BDS) 是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统, 于 2012 年完成了由 5 颗地球静止轨道卫星 (Geostationary Earth Orbit, GEO) 、5 颗倾斜地球同步轨道卫星 (Inclined Geosynchronous Orbit, IGSO) 和 4 颗中圆地球轨道卫星 (Medium Earth Orbit, MEO) 构成的空间星座组网1, 正式向亚太区域提供定位、导航和授时
7、 (Positioning, Navigation and Timing, PNT) 服务。遵循“先试验、后区域、再全球”的三步走发展战略2, BDS 将于 2020 年建设成为全球卫星导航系统, 正式向全球用户提供服务。2016 年 8 月 5 日, BDS 第 22 颗卫星已完成在轨测试、入网测试评估等工作, 正式入网提供服务, 卫星编号 133。BDS 星座构型也更新为“5GEO+6IGSO+3MEO”。本文基于当前星座配置下的 BDS, 从民用航空界公认的评价卫星导航系统性能的指标参数集合, 即精度、完好性、连续性以及可用性等入手展开研究, 提出了面向民航应用的 BDS PNT 服务层
8、性能评估指标体系, 并对 PNT 性能指标之间的关系进行了梳理, 建立了评估模型;依据国际民用航空组织 (International Civil Aviation Organization, ICAO) 发布的航空无线电导航必备性能 (Required Navigation Performance, RNP) 要求, 结合民航非精密进近 (Non-Precision Approach, NPA) 阶段的应用, 最终给出 BDS 关键 PNT 性能指标的评估方法;在采集分析首都国际机场 7 天 BDS 实测数据的基础上, 对 BDS 定位精度、完好性、连续性以及可用性等四大 PNT 服务层性能指
9、标进行了定量评估。1 BDS PNT 性能评估指标体系民用航空界用来评价卫星导航系统性能的指标参数主要包括四大性能指标:精度、完好性、连续性和可用性4。虽然全球定位系统 (Global Positioning System, GPS) 及 BDS 官方文件对四大性能指标进行了详细阐述, 从系统建设和维护的角度对空间信号 (Signal In Space, SIS) 层性能进行了说明和规范, 从面向用户的角度对定位、测速和授时 (Position、Velocity、and Time, PVT) 服务层性能进行了描述和评估, 但对于民航用户关心的连续性、可用性尤其是完好性等 PNT 性能指标都没给
10、出明确的评估方法, 故有必要对面向民航应用的 BDS PNT 性能指标体系进行建模及评估。1.1 BDS PNT 性能评估指标体系本文从面向用户的 PNT 服务层角度对四大性能评估指标进行了进一步分解, 确定了面向民航应用的 BDS PNT 性能评估指标参数体系, 主要分为反映 BDS 导航信号质量的“信号级参数”和反映 BDS PNT 服务性能的“信息级参数”两大类, 如图 1 所示。图 1 BDS PNT 性能指标参数体系 下载原图众所周知, 卫星导航系统一般由空间段、地面控制段以及用户段三部分构成, 在进行系统误差分析时, 通常把空间段及地面控制段部分引入的误差划分为SIS 层性能指标。
11、从这个角度看, 包含用户段误差成分的“信号级参数”也可以被认为是面向用户的 PNT 服务层性能指标。不同接收机的输出格式和内容可能会有所不同, 但通常均输出跟踪环路所测量的伪距、多普勒频移、载波相位和载噪比等测量值及信息。这些测量信息的精度直接反映导航信号质量的好坏, 被称为“信号级参数”。这是本文划分“信号级参数”与“信息级参数”的重要依据。1.2 BDS PNT 性能评估指标关系模型到目前为止, 由精度、完好性、可用性、连续性等 PNT 性能指标构成的评估体系内各指标之间的关系还没有公认的结论。文献5给出了两种描述四大 PNT 性能指标之间关系的模型, 分别为:球壳模型和金字塔模型。在此基
12、础上, 文献4提出了一种改进型模型, 称作“平行递进模型”。该模型把四大性能指标划分为基础性能层和扩展性能层, 对卫星导航系统 PNT 性能的描述更加准确和科学, 为性能指标评估方法的具体实现提供了理论支撑。本文在“平行递进模型”基础上对面向民航应用的“BDS PNT 性能评估指标体系”内各指标之间的关系进行了整理分析, 建立了如图 2 所示的关系模型。图 2 BDS PNT 性能指标关系模型 下载原图模型整体分为两个层次:基础性能层和扩展性能层。处于模型下方的为基础性能层, 包括精度和完好性指标, 代表 BDS 应该具备的基本性能, 在地位上是相互平等的;位于模型上方的是扩展性能层, 是对基
13、础性能层的递进和扩展, 是精度和完好性指标在空域和时域上的统计, 包括连续性和可用性, 两者在地位上也互相平等。2 BDS 关键 PNT 性能指标评估方法ICAO 对民航 NPA 阶段四大性能指标的 RNP 要求如表 1 所示6。表 1 NPA 阶段 RNP (ICAO SARPs 2006) 下载原表 接下来给出 BDS 关键 PNT 性能指标的评估方法。2.1 精度卫星导航系统的精度是指系统为运载体所提供的实时位置与其真实位置之间的重合度7, 无特别强调的情况下一般指定位精度。2.1.1 定位精度假设参考点在大地坐标系内的坐标为 ( s, s, hs) , 观测点 tk时刻的坐标为 ( m
14、 (tk) , m (tk) , hm (tk) ) 。首先将上述坐标转换为站心坐标, 进而再计算出观测点至参考点的水平和垂直方向误差, 即:其中, e (t k) 代表东向误差, n (t k) 代表北向误差, H (t k) 为水平方向误差, V (t k) 为垂直方向误差, CGCS2000 参考椭球体长半轴 a=6 378 137.0 m。之后, 通过统计运算最终得到 95%置信度的 BDS 水平、垂向定位精度。2.1.2 UERE 预算用户等效距离误差 (User Equivalent Range Error, UERE) 预算包含用户测距误差 (User Range Error,
15、URE) 和用户设备误差 (User Equipment Error, UEE) 两部分8。三者关系如下:依据北斗卫星导航系统公开服务性能规范 (1.0 版) , 可知 BDS 95%置信度的 URE 指标为 2.5 m9, 将其转换为 1 指标, 即:对于 UEE 指标, 目前 BDS 还没有合适的预算模型, 本文选取 GPS 相关模型作为参考10, 利用式 (5) , 最终得到 BDS UERE 预算, 如表 2 所示。表 2 GPS UEE 及 BDS UERE 预算 下载原表 2.2 完好性假定“完好性损失仅由单颗卫星故障造成”以及“接收机在工作期间是无故障的”11, 在接收机自主完好
16、性监测 (Receiver Autonomous Integrity Monitoring, RAIM) 技术被用来提供实时监测的前提下, 完好性指标的评估方法如下:其中, CTI 是指连续时间间隔 (Continuity Time Interval, CTI) , NPA 阶段的 ICAO RNP 是以小时为单位统计的, 所以在这里 CTI=1 h;MTBFint是指完好性损失平均间隔时间, 它被计算为总时间除以完好性损失事件的数目。任何以下事件被统计为完好性损失事件:(1) 定位精度大于水平告警门限 (Horizontal Alert Limit, HAL) , ICAO 对NPA 阶段的 HAL 要求为 556 m;(2) 持续告警时限 (Time To Alarm, TTA) 以上时间的 RAIM 不可用事件, ICAO对 NPA 阶段的 TTA 要求为 10 s;任何以下事件
