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周建华总师:《北斗导航与广域差分的性能提升及实验验证》,
点击数: 发布时间:2017-06-18 编辑:赵龙

2017523日,第八届中国卫星导航学术年会在上海召开。作为国际三大卫星导航学术会议之一,本届年会以定位,万物互联为主题,分为开幕式、GNSS主管部门报告、特邀报告、分会交流、科学普及、展览展示等环节,全方位体现北斗卫星导航系统以及世界各大卫星导航系统建设发展成果,展现出卫星导航与新兴技术融合发展趋势,高精度时空信息服务已逐步渗透并赋能各行各业和大众民生,成为万物互联、联通共享的时空基础,为人类发展带来无限可能、无限憧憬

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周建华教授(北斗二号地面运控系统总师)作了大会特邀报告,报告题目为《北斗导航与广域差分的性能提升及实验验证》,以下内容转自:北斗时空。

今天我报告的题目是北斗导航与广域差分的性能提升及实验验证。北斗在2012年开通的时候的性能,即它的空间信号精度跟GPS是相当的,我们称为普通导航性能。北斗的设计还提供了差分的信号,在2012年开通的时候,差分的信号也比基本导航的信号误差要小一倍。

世界上有很多的卫星导航系统,其中最典型的是GPSGLONASS,北斗提供的空间信号的定位几何大概比GPS弱一倍。北斗的空间信号精度跟GPS的空间信号精度在相当的情况下,定位精度可能就会要比其他的GPS卫星导航系统要差一些。如果想得到和GPS一样的精度,这就要求运控系统在操作卫星的时候能够发布的空间信号精度要高一倍,才能达到这样一个性能。

但是真正实现起来非常不容易。北斗的运行控制系统在中国的范围之内,其他的系统在我们的可见范围之内大概只覆盖地球的1/50这么小一个范围,我们的星座不能做到全无缝的覆盖监视。

为了得到这样一个高精度,我们从2012年开始一直在做的,就是要把北斗现在的基本导航信号,和它的差分信号精度进一步地提升,这个就是我们所做的重点改进。北斗是由各种星座的卫星构成的,它的卫星操作和轨道测定要非常地迅速,所以我们设计的整个体制是双向的实验同步和精密定轨融合方案,包括快速稳定的出这个轨道,轨道最快的入轨时间就必须要在几个小时之内完成,钟差测定到发布出去也要在十几分钟之内完成。

解决了这个问题后,虽然运行很稳定了,它带来了到用户端的误差会有一个不自洽地放大,因此我们又把误差做了进一步的拟合,修改了原来发播的导航电文,大家都来收这个电文,经过这样一个处理的优化以后,现在发播的卫星导航的所有参数,较2012年有了一个很大幅度的提升,这是能够看到的每颗星提升的结果,这样普通导航的空间信号精度可以提升50%

第二个改进,是增加了一个轨道实时修正的处理功能。因为我们的星座经常要进行轨道控制,如果我们不对它进行管理的时候,这个轨道受控制力的变化,它在几个小时以后轨道误差就会非常大,误差达到上公里甚至几十公里。过去能够做快速定轨,虽然做了快速定轨,但是如果按照原来的策略,6个小时以后它误差仍然会比较大。因此在这个情况下我们就增加了一个轨道实时修正的处理功能,在这个轨道的机动很快的时候,我们就把原来修正的轨道变化实时求出来,使得它的定位精度能够在比较快的时候,卫星可以马上入网使用,所以现在的系统运行起来比早期的时候,稳定性上又有了一个很大的提高,性能有了一个改进。

在这个支持之上,为了进一步把北斗的性能做好,进一步分解系统操控空间段的误差,还有用户端能够更高精度的获取一些修正参数,我们又做了一个四重广域差分的模型和协议。这个协议可以给出一个服务区,在我设站的周边范围,在国土周边范围都能够享受这样的精度。这样的差分协议的实现和处理,它能够实现在用户基不增加任何成本的情况下,能够得到一个很高精度的定位结果。

有了这样的协议,就要把这样一个高精度的所有修正参数,给它很可靠、很实时地求出来,所以系统又进行了进一步算法上的处理和升级,以载波相位观测为主的实时导航业务处理。以往导航系统的控制基本上都是以伪距操作为主的,现有的是以载波相位观测为主进行实时信息处理。采用了载波相位约束参数历元间的变化,载波/伪距融合确定基准。通过这样一个算法的改进,使得我们发播出来的参数性能能有一个大幅度提升,目前用户的距离误差可以做到小于0.2米,就是蓝色的线所看到的结果,红色的线是现在处理的结果。这样就可以为高精度定位的用户奠定一个很好的基础,如果用户做的很好,应该可以实现0.4米的定位结果。   

经过几年的反复实验和软件的开发,到最后的验证,这套系统已经升级了北斗现在的操控系统,升级以后的空间信号精度有了一个很好地提升,红线之后是升级以后的空间的误差,这是今年1月份的,目前大家收到的结果可以收到升级以后的,这个表示的空间信号精度是基本导航参数。把它再统计一下可以看到空间信号精度,经过这样的修正,空间信号精度达到了0.8米,比原来老的升级前的系统整个精度能够提高一倍,按照不同的卫星可以看到它的结果。

在这次的升级过程当中,在协议上,原来的协议仍然保持可以使用,在此基础上又增加了一个改进的信号,考虑到这部分以后,它相对于原来的差分信号,也还是有一个非常好的提升。目前它的UDRE的精度可以达到0.26米,相对老系统也提高了1倍以上,这个也是跟刚才一样,分不同的卫星,整个统计下来每个新的空间信号精度的情况。    

这样一个信号,我们定位的时候会是什么样的结果呢?系统在正式上线以后,也进行了大范围的测试,我们用全国的监测站来接收新发布的信号,来进行定位,它们单频定位精度可以做到1米的水平,双频的定位精度可以小于0.5米,这是环境相对比较正常的监测站。如果把以前生产的用户机拿来测试,整个定位精度也可以小于1米,双频的精度也可以达到这样一个指标,验证了这样的性能在用户端是完全可以实现的。  

这是用户开机以后三天的数据,很快速的一个定位结果,因为我们经过升级改造以后,它的空间信号精度已经达到0.5米以上,在0.30.4米这样的水平上,所以一开始定位的精度都能够控制在1-2米,只有很小的误差。我们对1米的导航用户来讲,只要你接收数据的过程完成以后,你就可能进到刚才说的1米以下的性能,这就跟我们原来大系统所设计的系统初始时间使用,是相匹配的。如果中间发生了一些参数的跳变,也能很快的回到这样一个结果。  

刚才都是针对导航用户的结果,这样的性能可能有一些高精度的用户,我们也关注了一下高精度用户使用的一个参数,能够在高精度应用上可能出现一个什么样的收敛的情况?我这里给出了在5分钟、10分钟还有15分钟各个情况下收敛的结果,我们更关注的是导航1米、0.5米这样一个性能,这样的性能基本上可以是在双频用户小于5分钟,单频用户也不会超过15分钟,就可以很稳定地收敛。  

动态跑车这个应用是支持所有动态应用的。这是它精度的统计情况,在单频的时候它也是在1米的范围,双频的时候跟刚才的情况也是接近的。

我们把用户的情况做了统计,经过北斗现在的提升,我们现在的用户机可能有两类,一类是我们已经生产的,在市面上大家普遍使用的终端,这样的终端它不用改进,因为我们发播的基本导航电文参数已经做了升级,所以目前来看升级的结果它可以做到能够比原来好815米,或者1020米,这有一个很大的提升,这样的精度可以做到35米。如果我们还是原来的终端,因为系统的协议进行了升级,你在这个基础上再进行一个处理,这样用户的精度就可以有一个比较好的改善。  

动态的结果要比刚才静态的结果差,这也是我今天在会上呼吁用户终端的厂家,在做软件的时候,因为去现场看了这个跑车实验,可能在广告牌的遮挡的时候,软件的鲁棒性需要一些改进。如果是比较空旷的环境下是完全好于0.5米的性能的,有待于终端把软件的功能,智能化这块要做的更好。

我们升级完以后是个什么情况呢?第一,所有的参数,原信号已经升级了,新增的参数也在所有频点上已经发播出去了,所以大家可以去接收这样一个数据,来理解这样一个协议参数的定义和它的使用要求。第二,老的用户终端大部分是可以接受这样一个参数的,对他的软件进行升级以后,能够达到高精度的应用。最后我们希望按照这样一个标准来进行运行,通过这次升级改造以后,高精度的所有系统运行非常的稳定,较2012年以前的稳定性是有了提升,除了精度做了大幅改进,稳定性也有一个很好的提高,普遍的用户可以广泛的用这样的信号。用户机原有信息都不用改,我可以给出大家做各种各样设计的时候一个参考条件,这样一个性能在现有的终端上是可以取得这样一个结果的。    

我认为北斗是基于星基增强,或者广域差分功能和导航为一体的系统,所以它是一个非常有特色的系统,它目前可以在亚太地区提供分米级的空间信号精度,这样一个系统可以为我们产业的发展,服务于国家一带一路战略及海洋战略,为大众的服务奠定一个非常好的基础,我们今天在这个情况下来应用北斗,来推广我们的产业,谢谢大家。

(报告完)

交流互动环节

问题:

很自豪我们的北斗取得了这么好的成绩。我们导航系统有精度完好性、连续性、可用性这样一些指标,我看你的报告里面只提到了精度,不知道其他的几个性能指标是怎么样的,谢谢。

周建华:

我们在连续性、完好性上,原来有一个告警的时间,连续性指标在这次的系统设计上,都是维持了原系统的设计,保持了原来所有的结构,完好性的性能参数和原来是一样的,就是把精度这块做了一个改进。改进的效果,是有完好性相关数据标识的。

 


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