一种星基增强系统服务范围确定的方法与流程

1.本发明涉及卫星导航增强领域，是一种确定星基增强系统(sbas，satellite based augmentation system)服务范围的方法。


背景技术：

2.星基增强系统是为了提升基本导航系统定位精度和完好性性能而诞生的一个增强系统，它主要通过地球静止轨道卫星(geo，geostationary satellite)向用户播发星历改正数和完好性信息，进而为用户端提供完好性服务。目前世界上处于正式运行状态的sbas包括美国的广域增强系统(waas，wide area augmentation system)，欧洲的地球同步卫星导航增强服务系统(egnos，european geostationary navigation overlay service)，日本的基于多功能运输卫星的增强系统(msas，mtsat satellite-based augmentation system)和印度的全球定位系统(gps，global positioning system)辅助型静地轨道增强导航系统(gagan，gps aided geo augmentation navigation)，另外还有一些其他国家也正在开发自己的sbas系统，如俄罗斯联邦的差分改正监测系统(sdcm，system for differential corrections and monitoring)，韩国的增强卫星系统(kass，korean augmentation satellite system)等。
3.waas根据不同用户服务等级需求，通过完好性参数计算相应的保护级，进而依据保护级给出具体服务范围。egnos利用现有基准站，在有效的导航定位精密进近(pa，precision approach)结果下，基于水平导航系统误差(hnse，horizontal navigation system error)优于3m，垂直导航系统误差(vnse，vertical navigation system error)优于4m约束下确定服务范围。其他增强系统只给出大致的服务范围，也没有明确的数据或者报告来支撑。
4.因此对于确定服务范围的具体方法，国外未公开，国内也尚未有相关文献介绍。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种星基增强系统服务范围确定的方法。本发明基于bdsbas发展现状，创新性的提出一种基于sbas完好性参数99.9％包络概率要求反推sbas服务范围的方法
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤为：
7.步骤1：选定目标研究区域，作为星基增强系统初步服务区域；
8.步骤2：解算当前历元全球导航卫星系统(gnss，global navigation satellite system)卫星增强轨道/钟差及用户差分测距误差(udre，user differential range error)信息，计算周期为2分钟，sbas轨道钟差改正数信息2分钟更新一次；
9.步骤3：以5
°×5°
经纬度差对目标研究区域进行分割，计算当前历元每颗卫星在格网点上投影的轨道/钟差综合误差，判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络；解算的udre值大于轨道/钟差综合误差绝对值即包络；
10.步骤4：统计目标区域格网点udre包络概率，并确定udre包络概率大于99.9％的区域s
(udre)
；
11.步骤5：计算格网点电离层延迟误差值和格网电离层垂直误差(give，grid ionospheric vertical error)信息，计算周期为5分钟，sbas电离层信息5分钟播发一次，判断give对电离层延迟误差是否包络；解算的give值大于电离层延迟误差绝对值即包络；
12.步骤6：统计目标区域格网点give包络概率，并确定give包络概率大于99.9％的区域s
(give)
；
13.步骤7：对完好性参数(udre、give)99.9％包络要求下公共区域进行求并集实现，并确定最终的sbas服务区域s
(sbas)
，并集后的重叠区域即为最终的服务区域。
14.所述步骤2中，解算当前历元gnss卫星增强轨道/钟差以及udre信息；
15.通过接收的导航电文计算卫星位置和钟差，再利用星基增强电文中的轨道/钟差改正数对卫星位置和钟差进行修正即可得到增强后的轨道/钟差结果，具体步骤如下：
16.2.1、利用导航电文计算卫星在地心地固坐标系中的位置和钟差[x
e y
e z
e be]；
[0017]
2.2、利用星基增强电文计算轨道/钟差改正数：
[0018]
慢变改正数信息包括卫星星历慢变改正数和卫星时钟慢变改正数，在单频增强电文中，慢变改正数信息由电文25播发；
[0019]
卫星星历慢变改正数通过下式计算：
[0020][0021]
[δx
k δy
k δzk]
t
为当前时刻轨道改正数，[δx δy δz]
t
为轨道偏差，为轨道偏差变化率；
[0022]
卫星时钟慢变改正数通过下式计算：
[0023]
δδt
sv
(t)＝δa
f0
+δa
f1
(t-t0)+δa
fg0
其中，t为当前时刻，δδt
sv
(t)为当前时刻时钟改正数，δa
f0
为时钟偏差，δa
f1
为时钟偏差变化率，t0为改正数参考时刻，δa
fg0
为glonass卫星改正参数，在电文12中播发，针对非glonass卫星，该值为0；
[0024]
2.3、利用改正数对卫星位置和钟差进行修正：
[0025]
[x
c y
c z
c bc]
t
＝[x
e y
e z
e be]
t
+[δx
k δy
k δz
k δδt
sv
*c]
t
[0026]
其中，[x
c y
c z
c bc]
t
为t时刻改正后的增强轨道/钟差；
[0027]
2.4、udre信息通过电文6获得。
[0028]
所述步骤3中，以5
°×5°
经纬度差对目标区域进行分割，计算当前历元每颗卫星在格网点上投影的轨道/钟差综合误差，判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络；
[0029]
将改正后的增强轨道/钟差分别与事后精密轨道/钟差产品作差，得到修正误差，再将修正误差投影至格网点，判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络；具体步骤如下：
[0030]
3.1、将修正后的卫星位置和钟差与精密卫星轨道和钟差取差值；
[0031]
[δx δy δz δb]
t
＝[x
c y
c z
c bc]
t-[x
p y
p z
p b
p
]
t
[0032]
其中，[x
c y
c z
c bc]
t
为时刻t改正后的卫星位置和钟差，[x
p y
p z
p b
p
]
t
为时刻t精密卫星轨道和钟差，[δx δy δz δb]
t
为时刻t修正后的卫星位置和钟差与精密卫星轨道和钟差的差值；
[0033]
3.2、计算修正残差在目标区域格网点的投影；
[0034][0035]
其中，δr为轨道/钟差综合误差在格网点上的投影，l
user
为卫星到格网点的单位方向矢量；
[0036]
3.3、判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络。
[0037]
所述步骤5：计算格网点电离层延迟误差值和give信息(计算周期为5分钟，sbas电离层信息5分钟播发一次)，判断give对电离层延迟误差是否包络；
[0038]
以全球电离层格网模型计算出来的电离层延迟量为基准，通过与sbas电文中提供的对应格网点处的电离层延迟作差得出电离层误差，统计give对该差值的包络概率。具体步骤如下：
[0039]
5.1、通过电文18和电文26计算目标区域格网点增强电文电离层延迟量ic和give值，计算对应格网点全球电离层格网模型电离层延迟量i，如果有必要，需进行平面几何内插。
[0040]
5.2、计算电离层改正数与电离层延迟的差值δi。
[0041]
δi＝ic-i
[0042]
5.3、判断give对电离层修正误差是否包络。
[0043]
本发明的有益效果在于：
[0044]
基于避免完好性风险事件发生的要求：完好性参数以99.9％包络概率对相应改正数修正残差形成包络，创新性的提出一种反推星基增强系统服务范围的方法。处理方法合理，处理效率较高。
[0045]
基于本发明的原理和步骤，能够为bdsbas服务范围的确定提供研究思路和理论支撑，进而为行业用户使用bdsbas服务提供参考，促进bdsbas应用推广。
附图说明
[0046]
图1是本发明星基增强系统服务范围确定方法流程图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0048]
本发明是一种星基增强系统服务范围确定的方法，具体步骤如下所示：
[0049]
步骤1：选定目标研究区域，作为星基增强系统初步服务区域；
[0050]
根据sbas监测站的分布范围，经纬度向四周各扩大10-20度作为目标研究区域。
[0051]
步骤2：解算当前历元gnss卫星增强轨道/钟差以及udre信息；
[0052]
通过接收的导航电文计算卫星位置和钟差，再利用星基增强电文中的轨道/钟差改正数对卫星位置和钟差进行修正即可得到增强后的轨道/钟差结果，具体步骤如下：
[0053]
2.1、利用导航电文计算卫星在地心地固坐标系中的位置和钟差[x
e y
e z
e be]；
[0054]
2.2、利用星基增强电文计算轨道/钟差改正数：
[0055]
慢变改正数信息包括卫星星历慢变改正数和卫星时钟慢变改正数，在单频增强电文中，慢变改正数信息由电文25播发；
[0056]
卫星星历慢变改正数通过下式计算：
[0057][0058]
[δx
k δy
k δzk]
t
为当前时刻轨道改正数，[δx δy δz]
t
为轨道偏差，为轨道偏差变化率；
[0059]
卫星时钟慢变改正数通过下式计算：
[0060]
δδt
sv
(t)＝δa
f0
+δa
f1
(t-t0)+δa
fg0
[0061]
其中，t为当前时刻，δδt
sv
(t)为当前时刻时钟改正数，δa
f0
为时钟偏差，δa
f1
为时钟偏差变化率，t0为改正数参考时刻，δa
fg0
为glonass卫星改正参数，在电文12中播发，针对非glonass卫星，该值为0；
[0062]
2.3、利用改正数对卫星位置和钟差进行修正：
[0063]
[x
c y
c z
c bc]
t
＝[x
e y
e z
e be]
t
+[δx
k δy
k δz
k δδt
sv
*c]
t
[0064]
其中，[x
c y
c z
c bc]
t
为t时刻改正后的增强轨道/钟差；
[0065]
2.4、udre信息通过电文6获得；
[0066]
步骤3：以5
°×5°
经纬度差对目标区域进行分割，计算当前历元每颗卫星在格网点上投影的轨道/钟差综合误差，判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络；
[0067]
将改正后的增强轨道/钟差分别与事后精密轨道/钟差产品作差，得到修正误差，再将修正误差投影至格网点，判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络；具体步骤如下：
[0068]
3.1、将修正后的卫星位置和钟差与精密卫星轨道和钟差取差值；
[0069]
[δx δy δz δb]
t
＝[x
c y
c z
c bc]
t-[x
p y
p z
p b
p
]
t
[0070]
其中，[x
c y
c z
c bc]
t
为时刻t改正后的卫星位置和钟差，[x
p y
p z
p b
p
]
t
为时刻t精密卫星轨道和钟差，[δx δy δz δb]
t
为时刻t修正后的卫星位置和钟差与精密卫星轨道和钟差的差值；
[0071]
3.2、计算修正残差在目标区域格网点的投影；
[0072][0073]
其中，δr为轨道/钟差综合误差在格网点上的投影，i
user
为卫星到格网点的单位方向矢量；
[0074]
3.3、判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络；
[0075]
步骤4：统计目标区域格网点udre包络概率，并确定包络概率大于99.9％的区域s
(udre)
；
[0076]s(udre)
＝s(p(σ
udre
≥δr)≥99.9％)
[0077]
步骤5：计算格网点电离层延迟误差值和give信息(计算周期为5分钟，sbas电离层信息5分钟播发一次)，判断give对电离层延迟误差是否包络；
[0078]
以全球电离层格网模型计算出来的电离层延迟量为基准，通过与sbas电文中提供的对应格网点处的电离层延迟作差得出电离层误差，统计give对该差值的包络概率。具体步骤如下：
[0079]
5.1、通过电文18和电文26计算目标区域格网点增强电文电离层延迟量ic和give值，计算对应格网点全球电离层格网模型电离层延迟量i，如果有必要，需进行平面几何内插。
[0080]
5.2、计算电离层改正数与电离层延迟的差值δi。
[0081]
δi＝ic-i
[0082]
5.3、判断give对电离层修正误差是否包络；
[0083]
步骤6：统计目标区域格网点give包络概率，并确定包络概率大于99.9％的区域s
(give)
；
[0084]s(give)
＝(p(σ
give
≥δi)≥99.9％)
[0085]
步骤7：对完好性参数(udre、give)99.9％包络要求下公共区域进行叠加：
[0086]s(sbas服务范围)
＝s
(give)
∩s
(udre)
[0087]
确定最终的sbas服务区域s
(sbas服务范围)
。

技术特征：
1.一种星基增强系统服务范围确定的方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：选定目标研究区域，作为星基增强系统初步服务区域；步骤2：解算当前历元全球导航卫星系统卫星增强轨道/钟差及用户差分测距误差信息，计算周期为2分钟，sbas轨道钟差改正数信息2分钟更新一次；步骤3：以5
°×5°
经纬度差对目标研究区域进行分割，计算当前历元每颗卫星在格网点上投影的轨道/钟差综合误差，判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络；解算的udre值大于轨道/钟差综合误差绝对值即包络；步骤4：统计目标区域格网点udre包络概率，并确定udre包络概率大于99.9％的区域s
(udre)
；步骤5：计算格网点电离层延迟误差值和格网电离层垂直误差信息，计算周期为5分钟，sbas电离层信息5分钟播发一次，判断give对电离层延迟误差是否包络；解算的give值大于电离层延迟误差绝对值即包络；步骤6：统计目标区域格网点give包络概率，并确定give包络概率大于99.9％的区域s
(give)
；步骤7：对完好性参数(udre、give)99.9％包络要求下公共区域进行求并集实现，并确定最终的sbas服务区域s
(sbas)
，并集后的重叠区域即为最终的服务区域。2.根据权利要求1所述的星基增强系统服务范围确定的方法，其特征在于：所述步骤2中，解算当前历元gnss卫星增强轨道/钟差以及udre信息；通过接收的导航电文计算卫星位置和钟差，再利用星基增强电文中的轨道/钟差改正数对卫星位置和钟差进行修正即可得到增强后的轨道/钟差结果，具体步骤如下：2.1、利用导航电文计算卫星在地心地固坐标系中的位置和钟差[x
e y
e z
e b
e
]；2.2、利用星基增强电文计算轨道/钟差改正数：慢变改正数信息包括卫星星历慢变改正数和卫星时钟慢变改正数，在单频增强电文中，慢变改正数信息由电文25播发；卫星星历慢变改正数通过下式计算：[δx
k δy
k δz
k
]
t
为当前时刻轨道改正数，[δx δy δz]
t
为轨道偏差，为轨道偏差变化率；卫星时钟慢变改正数通过下式计算：δδt
sv
(t)＝δα
f0
+δα
f1
(t-t0)+δα
fg0
其中，t为当前时刻，δδt
sv
(t)为当前时刻时钟改正数，δα
f0
为时钟偏差，δα
f1
为时钟偏差变化率，t0为改正数参考时刻，δα
fg0
为glonass卫星改正参数，在电文12中播发，针对非glonass卫星，该值为0；2.3、利用改正数对卫星位置和钟差进行修正：[x
c y
c z
c b
c
]
t
＝[x
e y
e z
e b
e
]
t
+[δx
k δy
k δz
k δδt
sv
*c]
t
其中，[x
c y
c z
c b
c
]
t
为t时刻改正后的增强轨道/钟差；2.4、udre信息通过电文6获得。3.根据权利要求1所述的星基增强系统服务范围确定的方法，其特征在于：
所述步骤3中，以5
°×5°
经纬度差对目标区域进行分割，计算当前历元每颗卫星在格网点上投影的轨道/钟差综合误差，判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络；将改正后的增强轨道/钟差分别与事后精密轨道/钟差产品作差，得到修正误差，再将修正误差投影至格网点，判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络；具体步骤如下：3.1、将修正后的卫星位置和钟差与精密卫星轨道和钟差取差值；[δx δy δz δb]
t
＝[x
c y
c z
c b
c
]
t-[x
p y
p z
p b
p
]
t
其中，[x
c y
c z
c b
c
]
t
为时刻t改正后的卫星位置和钟差，[x
p y
p z
p b
p
]
t
为时刻t精密卫星轨道和钟差，[δx δy δz δb]
t
为时刻t修正后的卫星位置和钟差与精密卫星轨道和钟差的差值；3.2、计算修正残差在目标区域格网点的投影；其中，δr为轨道/钟差综合误差在格网点上的投影，l
user
为卫星到格网点的单位方向矢量；3.3、判断udre对轨道/钟差综合误差是否包络。4.根据权利要求1所述的星基增强系统服务范围确定的方法，其特征在于：所述步骤5：计算格网点电离层延迟误差值和give信息(计算周期为5分钟，sbas电离层信息5分钟播发一次)，判断give对电离层延迟误差是否包络；以全球电离层格网模型计算出来的电离层延迟量为基准，通过与sbas电文中提供的对应格网点处的电离层延迟作差得出电离层误差，统计give对该差值的包络概率；具体步骤如下：5.1、通过电文18和电文26计算目标区域格网点增强电文电离层延迟量ic和give值，计算对应格网点全球电离层格网模型电离层延迟量i，如果有必要，需进行平面几何内插；5.2、计算电离层改正数与电离层延迟的差值δi；δi＝ic-i5.3、判断give对电离层修正误差是否包络。

技术总结
本发明提供了一种星基增强系统服务范围确定的方法，选定目标研究区域，解算当前历元全球导航卫星系统卫星增强轨道/钟差及用户差分测距误差信息，计算当前历元每颗卫星在格网点上投影的轨道/钟差综合误差，统计目标区域格网点UDRE包络概率，计算格网点电离层延迟误差值和格网电离层垂直误差信息，统计目标区域格网点GIVE包络概率，对完好性参数包络要求下公共区域进行求并集实现，并确定最终的SBAS服务区域，并集后的重叠区域即为最终的服务区域。本发明基于避免完好性风险事件发生的要求：完好性参数以99.9％包络概率对相应改正数修正残差形成包络，处理方法合理，处理效率较高。高。高。


技术研发人员：熊帅 戴凯阳 邵搏 原彬 张键 李平力 丁群
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十研究所
技术研发日：2021.11.14
技术公布日：2022/3/8