■李尉华

（长安大学地质与测绘学院陕西西安710054）

北斗卫星导航系统（BDS）的星座可用性分析

■李尉华

（长安大学地质与测绘学院陕西西安710054）

随着导航技术取得的大量新进展，导航系统的定位精度已能满足大多数需求，但其保障动态用户的完好性还远远不能满足实际需求。在确保精度满足要求的条件下，为使北斗卫星导航系统真正成为民用航空导航可用的单一导航系统，还需对可用性、连续性和完好性性能进行评估。本文利用北斗卫星导航系统的广播星历和实测的伪距观测值，仿真计算北斗卫星导航系统在中国区域内的RAIM（接收机自体完好性监控）可用性，分析其所能达到哪些航空进近阶段的完好性需求，以期为导航定位用户提供北斗卫星星座可用性方面的参考。

北斗卫星导航系统可用性RAIM

北斗卫星导航系统是我国第一个自主研发的全球卫星导航系统。它的开发，旨在为我国提供开放、独立、兼容且稳定性可靠的全球范围内的精密定位服务。北斗卫星导航系统自2011年12月27日起，开始为我国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务，综合各项研究进度与已有成果，北斗系统有望在2020年左右提供全球范围内的连续导航定位和授时服务。卫星导航系统的完好性直接关系着导航用户，特别从导航用户安全角度考虑时，导航系统的完好性的重要性有着与精度同等重要的意义。因此，在保证北斗卫星导航系统覆盖性能、导航定位精度的前提下，对北斗卫星导航系统接收机自主完好性的研究是十分必要的。

1　北斗卫星导航系统简介

北斗卫星导航系统分为空间段、地面段和用户接收机三部分。空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，其中非静止轨道卫星由27颗中地球轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星组成；地面段包括主控站、注入站和监测站等；用户接收机包括各类北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗用户机兼有GPS、GLONASS、GALILEO的功能。

北斗卫星导航系统与其他几个全球导航系统，如GPS、GLONASS、GALILEO等，重要区别在于北斗卫星导航系统的空间星座是由三种不同轨道性质的卫星组成。系统完整建成后，北斗卫星导航系统的性能将有望超越现有的GPSII系统。现阶段其定位精度为10m，测速精度0.2m/s，授时精度10ns。在北斗二期工程完成之后，服务范围向全球扩展，导航定位精度将有所提高，全球区域可达到水平5m，高程8m。

2　接收机自主完好性监测

2.1RAIM算法

接收机自主完好性监测（RAIM），即独立冗余内存阵列，它是根据用户接收机的多余观测值监测用户定位结果的完好性，其作用是在各导航系统导航过程中检测出故障卫星的同时保障导航系统的定位精度。一般要求可见卫星数达到5颗以上才可进行完好性检测，可见卫星数达到6颗以上才可能辨识出故障卫星。RAIM算法对于安全性有严格要求的应用非常重要，如民航、航空等。

目前应用较好的RAIM算法包括最小二乘残差法、伪距比较法和奇偶矢量法。其中，最小二乘法应用最为广泛。最小二乘法在定位解算的同时可对最小二乘残差作粗差探测，最为简便、直观。该算法具有以下特点：

（1）仅利用当前时刻的数据进行自主完好性监测。

（2）该算法是假设导航系统在同一时刻只有一颗故障星的情况下进行检测和剔除，若在该导航系统中同时出现两颗或两颗以上的故障卫星，则RAIM无法剔除故障星，只能给出警告。

（3）可见卫星数达到5颗以上就能用来进行完好性监测，但只能用于单一导航系统故障星检测，若要剔除故障卫星必须观测6颗以上卫星，而且卫星数越多，检测效果越好。

2.2算例分析

本文采用2012年5月1号BDS广播星历brdc1220.12c文件，进行RAIM算法的仿真计算分析。以满足LPV（垂直引导的横向精密进近）飞行航段HPL＜HAL=40m、VPL＜VAL=50m的判断系统可用性的条件。结果显示在单BDS星座下，我国本土范围内大部分地区用户在95%时间里80m＜VPL（垂直定位误差保护级别）＜150m，HPL（水平定位误差保护级别）＜250m。根据GNSS用于导航各类进近阶段的性能要求可知，北斗只能满足非精密进近阶段的完好性要求。

3　北斗卫星导航系统可用性分析

导航系统的可用性是指该导航系统的服务可以使用的时间百分比。北斗卫星导航系统可用性分析一般采用格网法，即按一定采样间隔在每一格网点取一定观测时间段分别确定是否可用，然后对所有地面格网点的所有采样时刻的可用性结果进行统计，得到系统可用性。网格的划分通常可采用两种方法：等经纬度划分法和等面积划分法。

为分析卫星导航系统可用性，需要获取用于卫星导航仿真系统可用性分析的原始数据，在获取原始数据之前，对其算法和配置模型试验的试验是必要的。算法包括确定性方法和随机性方法。根据北斗卫星导航系统的独特体系特点，可按照空间段、用户段、地面段和环境段建立仿真模型框架。

4　结论

针对接收机自主完好性监测的最小二乘残差法，利用北斗广播星历具体数据对RAIM算法进行分析，比较了水平定位误差保护级别HPL与水平告警限值HAL以及垂直定位误差保护级别VPL与垂直告警限值VAL，结果显示HPL＜HAL，VPL＜VAL，表明RAIM算法可用，但北斗仅能满足非精密进近阶段的完好性要求。需要说明的是，本文只考虑了单故障卫星情况，同时对各星座状态概率只采用了先验值，而显然不同的是，星座状态概率会影响平均服务可用性，而且随着多系统的融合，接收机可接收多模卫星信号。

通过以上对其算法的介绍和分析可以看到，该类方法也存在一些明显的局限性，比如可见卫星数目要求较多等等。随着多系统的融合，接收机可接收多模卫星信号，可以使用双星或多星的RAIM算法对接收机的完好性进行监测。

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P2［文献码］ B

1000-405X（2016）-8-228-1

李尉华（1995～），女，回族，研究方向为大地测量学与测量工程。