本文内容来源于《测绘学报》2021年第4期（审图号GS（2021）1699号）
北斗三号全球导航卫星系统服务性能评估:定位导航授时、星基增强、精密单点定位、短报文通信与国际搜救
蔡洪亮1, 孟轶男1, 耿长江2, 高为广1, 张天桥3, 李罡1, 邵搏4, 辛洁3, 卢红洋5, 毛悦6, 袁海波7, 刘成1, 胡小工8, 楼益栋9
1. 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094;
2. 中国卫星导航系统管理办公室测试评估研究中心, 北京 100094;
3. 北京卫星导航中心, 北京 100094;
4. 中国电子科技集团公司第二十研究所, 陕西 西安 710068;
5. 中国交通通信信息中心, 北京 100011;
6. 西安测绘研究所, 陕西 西安 710054;
7. 中国科学院国家授时中心, 陕西 西安 710600;
8. 中国科学院上海天文台, 上海 200030;
9. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心, 湖北 武汉 430079
摘要：本文给出了北斗三号全球导航卫星系统定位导航授时、星基增强、精密单点定位、区域短报文通信、全球短报文通信和国际搜救共6类服务的测试评估方法，并利用实测数据对各类服务的核心指标进行了评估。结果表明，定位导航授时服务方面，空间信号测距误差0.23 m（RMS），空间信号可用性99.44%，空间信号连续性99.99%，PDOP可用性100%，B1C信号全球定位精度水平方向1.31 m、垂直方向2.13 m（95%），B1C信号全球定位可用性99.93%，B1C信号授时精度14.7 ns（95%）；星基增强服务方面，定位精度水平方向1.03 m、垂直方向2.60 m（95%）、具有垂直引导能力的一类进近（APV-Ⅰ）可用性100%；精密单点定位服务方面，定位精度水平方向0.17 m（95%）、垂直方向0.22 m（95%）、平均收敛时间9 min；区域短报文通信服务成功率99.6%，服务容量1530万次/h（上行）、935万次/h（下行）；全球短报文通信服务成功率96.46%，服务容量40万次/h（上行）、21万次/h（下行）；国际搜救服务方面，搜救信号接收成功率98.3%（发射功率37 dBm）。
关键词：北斗三号全球导航卫星系统 定位导航授时 星基增强 精密单点定位 短报文通信 搜救 服务性能
引文格式：蔡洪亮, 孟轶男, 耿长江, 等. 北斗三号全球导航卫星系统服务性能评估:定位导航授时、星基增强、精密单点定位、短报文通信与国际搜救[J]. 测绘学报，2021，50(4)：427-435. DOI: 10.11947/j.AGCS.2021.20200549CAI Hongliang, MENG Yinan, GENG Changjiang, et al. BDS-3 performance assessment:PNT, SBAS, PPP, SMC and SAR[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2021, 50(4): 427-435. DOI: 10.11947/j.AGCS.2021.20200549
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1 服务类型
北斗三号系统是我国独立自主建设的全球导航卫星系统，于2020年7月31日建成并向全球提供服务。北斗三号系统在提供定位导航授时服务外，还集成了星基增强和精密单点定位功能，实现高精度、高完好性，并融合了通信数传功能，实现全球、区域短报文通信及国际搜救服务[1]。文献[2-5]对北斗三号定位导航授时服务性能及相关指标进行了评估，但尚未有对系统各类服务全面的评估工作。本文详细描述了6类服务的测试评估方法，并利用实测数据对各类公开服务进行了评估，旨在为北斗三号不同类型的用户提供参考。北斗三号系统服务类型及其基本参数见表 1[1]。表 1 北斗三号系统服务类型Tab. 1 Services of BDS-3
系统通过B1C、B2a、B1Ⅰ、B3Ⅰ和B2b共5个频点提供公开的定位导航授时服务，其中B1C、B2a信号与GPS L1/L5、Galileo E1/E5a中心频率相同，可以与GPS、Galileo系统实现较好的兼容互操作，简化多系统兼容终端的设计。B1Ⅰ和B3Ⅰ信号则与北斗二号完全一致，从而确保北斗二号用户能够平稳过渡到北斗三号系统，B2b信号则为信号跟踪测量提供了更多选择。星基增强公开服务由SBAS-B1C与SBAS-B2a两个频点提供，其中SBAS-B1C提供的是符合国际民航标准[6-7]的单频SBAS服务(现有标准仅支持GPS、GLONASS两系统的增强，系统目前只播发了GPS增强信息)，SBAS-B2a按照国际民航标准草案[8-9]提供的是双频多星座SBAS服务。SBAS-B1C电文涵盖了快变、慢变、电离层等误差改正信息并提供用于保证用户完好性的相关信息，用户通过计算保护等级确认自己使用的导航服务精度在要求的范围以内。SBAS-B2a探索性地提供了国际民航尚未形成正式标准的双频多星座SBAS服务，代表了未来全球SBAS发展的方向。精密单点定位服务旨在提供更高精度的定位、测速、授时服务，当前通过GEO卫星播发北斗三号和GPS卫星轨道、钟差等改正数，使空间信号精度进一步提升，用户使用精密单点定位技术可以获得分米至厘米级精度(收敛后)，进一步拓展了北斗系统应用的范围。短报文通信服务包括区域短报文通信和全球短报文通信两种。区域短报文通信利用3颗GEO卫星实现，具备报文通信及位置报告、应急搜救功能报文长度最长1000汉字，终端发射功率可以降到3W以下。全球短报文通信利用14颗MEO卫星实现覆盖全球的报文通信服务，报文长度最长40汉字。国际搜救服务是按照全球卫星搜救系统(COSPAS-SARSAT)标准提供中轨卫星搜救功能，在6颗MEO卫星上安装了搜救载荷，遇险用户通过信标发射406MHz信号并由卫星搜救载荷进行转发。除标准的搜救功能外，北斗三号搜救服务还具备返向链路功能，能够向遇险用户发送确认信息，增强遇险用户获救信心。
2 评估方法
2.1 定位导航授时服务定位导航授时服务的关键指标在各卫星导航系统的服务性能规范中均有定义[10-12]，本文按照北斗卫星导航系统公开服务性能规范[10]的指标体系，评估了空间信号测距误差、空间信号测距误差变化率误差、空间信号测距二阶变化率误差、空间信号可用性、空间信号连续性、PDOP可用性、定位精度、定位可用性及授时精度共9个指标。空间信号测距误差(SISRE)反映导航电文中轨道、钟差及Tgd误差对用户测距精度的影响，其计算公式为 (1)式中，c为光速；T为钟差偏差；R为径向轨道偏差；A为切向轨道偏差；C为法向轨道偏差；κ对于GEO/IGSO卫星取0.99、MEO卫星取0.98；ω与轨道高度有关[13]，对于GEO/IGSO卫星取127，MEO卫星取54。空间信号测距变化率误差(SISRRE)与空间信号测距二阶变化率(SISRAE)误差利用卫星钟差的Hadmard方差计算[11]。空间信号可用性为预定轨位上的卫星播发可用信号(按照系统空间信号接口文件和服务性能规范的定义)的时间比例，本文评估的是单星空间信号可用性，计算方法为 (2)式中，A为空间信号可用性；H为空间信号可用的总时间，单位为s；SUM为评估时段的总时间，单位为s。空间信号连续性指可用的信号在指定时间段(本文采用1h)内不发生非计划中断的概率。本文评估的对象是单星空间信号连续性，其近似计算方法为 (3)式中，P为空间信号连续性；MTBF为平均故障间隔时间(单位为h)；T取1h。PDOP可用性是统计一个星座回归周期内全球格网点上PDOP值小于等于6的比例，格网分辨率为5°×5°，计算时间间隔5min。定位精度和可用性的评估，首先需严格按照ICD[14-17]的定义方法和参数计算卫星轨道、钟差、相对论及电离层延迟，并用单频伪距进行最小二乘单历元解算，获得定位结果，然后与准确坐标做差得到定位偏差，将定位偏差与可用性判断门限比较(本文取水平10m，垂直10m)得到定位可用性。授时精度评估利用基于中科院国家授时中心获得的UTC时间为参考，通过授时型接收机进行北斗授时(进行UTC偏差改正，归算到UTC时间)，最后计算北斗导航系统授时结果与授时中心获得的UTC间的差值。
2.2 星基增强服务
星基增强服务主要评估指标包括定位精度、定位服务可用性、定位服务连续性和定位服务完好性等[18-23]，由于BDSBAS B2a信号提供的双频多星座SBAS服务尚未形成国际标准，这里只评估了SBAS-B1C信号提供的单频SBAS服务。对SBAS定位精度的评估需严格按照国际民航标准[6-7]开展定位解算。具体方法为：首先对原始伪距用载波相位进行平滑，然后利用SBAS信息进行快变、慢变及电离层延迟改正，其他误差项改正方法与标准单点定位相同(对流层延迟模型按照民航标准)，最后用加权最小二乘求解每历元的位置解和相应的保护等级。定位解算结束后，对保护等级满足指定服务类型精度告警阈值(取APV-Ⅰ类进近标准，水平告警阈值40m，垂直告警阈值50m)内时段的定位精度进行统计。定位服务可用性评估是统计用户保护等级在指定阈值(采用APV-Ⅰ指标)内的时间比例。定位服务连续性是指定时段内(采用15s)用户保护等级满足一定阈值(本文采用APV-Ⅰ指标)要求的概率(起始时刻为满足阈值要求状态)，采用15s滑动窗口的方式统计。定位服务完好性主要统计了漏警概率，即真实定位误差超过保护等级的概率，反映的是保护等级对真实定位误差的包络能力。
2.3 精密单点定位服务
精密单点定位服务指标包括定位精度和收敛时间。定位精度评估按照精密单点定位的解算方式[24]，用北斗三号播发的改正信息进行轨道、钟差及Tgd改正，然后开展事后数据仿实时动态精密单点定位(解算中认为前后历元的位置参数不相关)，最后将解算结果与接收机的真实位置作差，统计水平、高程精度。收敛的判定按照定位精度达到水平30cm，垂直60cm的精度，并持续超过2min(统计收敛时间时含这2min)。
2.4 区域短报文通信服务
区域短报文通信服务主要测试了报文通信成功率、服务容量。通信成功率评估方法为配置两台北斗短报文通信终端，一台向卫星发送短报文，另一台接收，统计发送和接收的次数计算成功率。服务容量的方法为测试单颗北斗三号GEO卫星单个波束的容量，进而推算全系统容量。
2.5 全球短报文通信服务
全球短报文通信服务的评估方法与区域短报文通信服务相同，测试指标包括了通信成功率、服务容量。
2.6 国际搜救服务
国际搜救服务主要是测试前向报警的成功率。通过国际搜救卫星组织已入网运行的中轨地面站测试北斗搜救载荷业务，利用模拟信标发送上行测试信号，经过搜救载荷转发至L频段后，利用境外中轨搜救地面站进行接收，对输出结果进行解码，评估前向报警信息的成功率。
3 评估结果
3.1 定位导航授时服务
利用2020年6月19-25日国际GNSS监测评估系统(iGMAS)21个站、国际GNSS服务组织(IGS)30个站及北斗星间测距数据进行精密定轨，获得精密轨道，经激光测距数据检验优于5.0cm，并以此作为基准，对北斗三号B1Ⅰ/B3Ⅰ频点的空间信号精度进行评估，结果显示，所有卫星空间信号精度均优于0.5m(RMS)，均值为0.23m，如图 1所示。 |
| 图 1 北斗三号卫星SISREFig. 1 SISRE of BDS-3 satellites |
图选项 |
统计相同时段所有卫星的SISRRE均值为0.00035m/s，SISRAE均值为0.00012m/s2，分别如图 2、图 3所示。 |
| 图 2 北斗三号卫星SISRREFig. 2 SISRRE of BDS-3 |
图选项 |
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| 图 3 北斗三号卫星SISRAEFig. 3 SISRAE of BDS-3 |
图选项 |
利用2020年1月1日至6月30日期间的导航电文数据，统计了北斗三号卫星B1Ⅰ/B3Ⅰ信号的空间信号可用性，结果如图 4所示。所有卫星空间信号可用性整体统计结果为99.44%。可以看到PRN59卫星的空间信号可用性较低，这是由于该星在统计期间开展了较长时间的在轨试验。 |
| 图 4 空间信号可用性Fig. 4 Signal-in-space availability |
图选项 |
相同时段的数据分析了空间信号连续性，结果如图 5所示。结果显示北斗三号系统所有卫星空间信号连续性整体统计优于99.99%/h。 |
| 图 5 空间信号连续性Fig. 5 Signal-in-space continuity |
图选项 |
利用同时段的广播星历计算了北斗三号一个回归周期(7d)全球格网点上的PDOP变化情况，统计可用性如图 6所示。可以看到北斗三号星座已经对全球实现了很好的覆盖，在全球范围的PDOP可用性为100%。 |
| 图 6 北斗三号PDOP可用性Fig. 6 BDS-3 PDOP availability |
图选项 |
利用iGMAS全球站(跟踪站信息见www.igmas.org)2020年6月19日至25日的观测数据，对B1Ⅰ、B3Ⅰ、B1C和B2a 4个频点的单频伪距单点定位精度进行了评估，结果见表 2。可以看到B1C频点全球定位精度均值水平方向1.31m，垂直方向2.13m。4个导航信号定位精度的差异主要由电离层改正精度引起，使用相同电离层模型的条件下(B1Ⅰ和B3Ⅰ使用相同的Klobuchar模型，B1C和B2a使用相同的BDGIM模型)信号频率越高，电离层模型改正残差越小，定位精度也就越高。表 2 全球跟踪站定位精度Tab. 2 Positioning accuracy of global tracking stations
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| 图 7 跟踪站分布Fig. 7 Location of stations |
图选项 |
相应的定位可用性见表 3，可以看到B1C频点单频伪距定位全球范围的可用性为99.93%。
表 3 全球跟踪站定位可用性Tab. 3 Positioning availability of global tracking stations
以中科院国家授时中心UTC(NTSC)的10MHz频率信号和1PPS信号为参考，接收机和各类电缆时延经过测量和校准，利用2020年7月1日至8月31日数据评估得到北斗授时精度为14.7ns(95%)，结果如图 8所示。 |
| 图 8 授时精度Fig. 8 Timing accuracy |
图选项 |
3.2 星基增强服务利用2020年6月15日至21日的BDSBAS B1C电文，结合国内的北京、长春和武汉站数据对定位精度进行评估，结果见表 4。可以看到3个站点定位精度水平方向均优于1.5m，垂直方向优于3.0m(95%)。表 4 定位精度评估结果(95%)Tab. 4 Positioning accuracy (95%)
北京站的水平和垂直斯坦福图分别如图 9(a)(b)所示。
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| 图 9 BJFS站水平、垂直定位误差保护级斯坦福图Fig. 9 Standord diagram of BJFS positioning error |
图选项 |
利用相同时段的数据进行可用性、连续性和完好性分析，统计结果见表 5。
表 5 BDSBAS APV-Ⅰ可用性Tab. 5 BDSBAS APV-Ⅰ availability
3.3 精密单点定位服务
利用2020年7月1日至7日期间北斗三号PPP信息，结合iGMAS国内站北斗三号B1C与B2a双频数据，仿动态进行PPP解算，结果见表 6。可以看到，北斗PPP定位精度水平、垂直方向均在0.25m以内，收敛时间优于20min。表 6 PPP定位统计结果Tab. 6 BDS PPP results
2019年7月4日BJF1站北斗系统PPP定位偏差时间序列如图 10所示。
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| 图 10 BJF1站北斗PPP位置偏差序列Fig. 10 Time series of BJF1 PPP error |
图选项 |
3.4 区域短报文通信服务
2020年5月11-13日，利用设置于北京的短报文终端开展了区域短报文通信性能测试，结果见表 7，通信成功率优于99.6%。表 7 区域短报文通信成功率测试结果Tab. 7 Communication success rate testing result
通信容量方面，测试结果显示，单波束工作的上行容量达到255万次/h，下行容量达到53万次/h，等效系统服务容量上行为1530万次/h，下行为935万次/h。
3.5 全球短报文通信服务
2020年5月11-13日开展了全球短报文通信性能测试，通信成功率方面，共进行了1440次报文通信测试，成功次数为1389，成功率为96.46%。通信容量方面，在平均有效电文200bit场景下针对境内单星工作容量进行测试，单星上行容量优于2.86万次/h，下行容量优于8000次/h，等效系统服务容量为上行40万次/h，下行21万次/h。
3.6 国际搜救服务
按照国际搜救卫星组织入网测试标准，开展了MEO-13/14、MEO-21/22、MEO-23/24共6颗卫星搜救载荷入网测试工作，测试项目共11项，指标见表 8。表 8 搜救载荷主要指标Tab. 8 Core parameters of SAR
表 8中“信标信号处理”依托美国马里兰中轨地面站(MEOLUT)完成，使用了信标模拟器和信号处理装置。搜救终端发射的406.05MHz的报警信号能正确地被北斗搜救载荷转发至1544.21MHz，境外地面站能够接收北斗搜救载荷的下行信号，MEO-13卫星的测试结果见表 9。表 9 MEO-13卫星搜救性能测试结果Tab. 9 SAR performance of MEO-13
因载荷属于透明转发，信道中除了测试信号也存在其他业务信号，当测试信号发射功率较低时，强信号可能会覆盖弱信号，导致接收到的测试信号数量下降。从表 9结果可以看出北斗三号MEO-13卫星转发到地面的有效信号接收比例优于98%(发射功率37dBm)。4 结束语本文介绍了北斗三号系统定位导航授时、星基增强、精密单点定位、区域短报文通信、全球短报文通信和国际搜救服务，并给出了6类服务的性能评估方法，利用实测数据对系统各类服务的核心指标进行了评估，对照北斗系统服务性能规范，指标的实现情况见表 10。
表 10 指标汇总Tab. 10 Assessment results summary
总体看来，北斗三号系统定位导航授时、星基增强、精密单点定位、区域短报文通信、全球短报文通信及国际搜救服务各项指标均满足北斗系统服务性能要求。星基增强定位精度等还有提升空间，后续系统需重点关注星基增强服务性能，从改进格网电离层延迟精度，拓展地面跟踪站覆盖范围等方面入手，进一步提升星基增强服务的性能。
第一作者简介：蔡洪亮(1982-), 男, 助理研究员, 研究方向为卫星导航系统总体设计与试验评估。E-mail: caibanyu@126.com
通信作者：耿长江, E-mail: gengchj@beidou.gov.cn