周建華總師《北斗導航與廣域差分的性能提升及實驗驗證》

2017年5月23日，第八屆中國衛星導航學術年會在上海召開。作為國際三大衛星導航學術會議之一，本屆年會以「定位，萬物互聯」為主題，分為開幕式、GNSS主管部門報告、特邀報告、分會交流、科學普及、展覽展示等環節，全方位體現北斗衛星導航系統以及世界各大衛星導航系統建設發展成果，展現出衛星導航與新興技術融合發展趨勢，高精度時空信息服務已逐步滲透並賦能各行各業和大眾民生，成為萬物互聯、聯通共享的時空基礎，為人類發展帶來無限可能、無限憧憬。

（以下內容根據會議現場報告摘錄整理）

特邀報告：周建華（北斗二號地面運控系統總師）

今天我報告的題目是北斗導航與廣域差分的性能提升及實驗驗證。北斗在2012年開通的時候的性能，即它的空間信號精度跟GPS是相當的，我們稱為普通導航性能。北斗的設計還提供了差分的信號，在2012年開通的時候，差分的信號也比基本導航的信號誤差要小一倍。

世界上有很多的衛星導航系統，其中最典型的是GPS和GLONASS，北斗提供的空間信號的定位幾何大概比GPS弱一倍。北斗的空間信號精度跟GPS的空間信號精度在相當的情況下，定位精度可能就會要比其他的GPS衛星導航系統要差一些。如果想得到和GPS一樣的精度，這就要求運控系統在操作衛星的時候能夠發布的空間信號精度要高一倍，才能達到這樣一個性能。

但是真正實現起來非常不容易。北斗的運行控制系統在中國的範圍之內，其他的系統在我們的可見範圍之內大概只覆蓋地球的1/50這麼小一個範圍，我們的星座不能做到全無縫的覆蓋監視。

為了得到這樣一個高精度，我們從2012年開始一直在做的，就是要把北斗現在的基本導航信號，和它的差分信號精度進一步地提升，這個就是我們所做的重點改進。北斗是由各種星座的衛星構成的，它的衛星操作和軌道測定要非常地迅速，所以我們設計的整個體制是雙向的實驗同步和精密定軌融合方案，包括快速穩定的出這個軌道，軌道最快的入軌時間就必須要在幾個小時之內完成，鐘差測定到發布出去也要在十幾分鐘之內完成。

解決了這個問題後，雖然運行很穩定了，它帶來了到用戶端的誤差會有一個不自洽地放大，因此我們又把誤差做了進一步的擬合，修改了原來發播的導航電文，大家都來收這個電文，經過這樣一個處理的優化以後，現在發播的衛星導航的所有參數，較2012年有了一個很大幅度的提升，這是能夠看到的每顆星提升的結果，這樣普通導航的空間信號精度可以提升50%。

第二個改進，是增加了一個軌道實時修正的處理功能。因為我們的星座經常要進行軌道控制，如果我們不對它進行管理的時候，這個軌道受控制力的變化，它在幾個小時以後軌道誤差就會非常大，誤差達到上公里甚至幾十公里。過去能夠做快速定軌，雖然做了快速定軌，但是如果按照原來的策略，6個小時以後它誤差仍然會比較大。因此在這個情況下我們就增加了一個軌道實時修正的處理功能，在這個軌道的機動很快的時候，我們就把原來修正的軌道變化實時求出來，使得它的定位精度能夠在比較快的時候，衛星可以馬上入網使用，所以現在的系統運行起來比早期的時候，穩定性上又有了一個很大的提高，性能有了一個改進。

在這個支持之上，為了進一步把北斗的性能做好，進一步分解系統操控空間段的誤差，還有用戶端能夠更高精度的獲取一些修正參數，我們又做了一個四重廣域差分的模型和協議。這個協議可以給出一個服務區，在我設站的周邊範圍，在國土周邊範圍都能夠享受這樣的精度。這樣的差分協議的實現和處理，它能夠實現在用戶基不增加任何成本的情況下，能夠得到一個很高精度的定位結果。

有了這樣的協議，就要把這樣一個高精度的所有修正參數，給它很可靠、很實時地求出來，所以系統又進行了進一步演算法上的處理和升級，以載波相位觀測為主的實時導航業務處理。以往導航系統的控制基本上都是以偽距操作為主的，現有的是以載波相位觀測為主進行實時信息處理。採用了載波相位約束參數曆元間的變化，載波/偽距融合確定基準。通過這樣一個演算法的改進，使得我們發播出來的參數性能能有一個大幅度提升，目前用戶的距離誤差可以做到小於0.2米，就是藍色的線所看到的結果，紅色的線是現在處理的結果。這樣就可以為高精度定位的用戶奠定一個很好的基礎，如果用戶做的很好，應該可以實現0.4米的定位結果。

經過幾年的反覆實驗和軟體的開發，到最後的驗證，這套系統已經升級了北斗現在的操控系統，升級以後的空間信號精度有了一個很好地提升，紅線之後是升級以後的空間的誤差，這是今年1月份的，目前大家收到的結果可以收到升級以後的，這個表示的空間信號精度是基本導航參數。把它再統計一下可以看到空間信號精度，經過這樣的修正，空間信號精度達到了0.8米，比原來老的升級前的系統整個精度能夠提高一倍，按照不同的衛星可以看到它的結果。

在這次的升級過程當中，在協議上，原來的協議仍然保持可以使用，在此基礎上又增加了一個改進的信號，考慮到這部分以後，它相對於原來的差分信號，也還是有一個非常好的提升。目前它的UDRE的精度可以達到0.26米，相對老系統也提高了1倍以上，這個也是跟剛才一樣，分不同的衛星，整個統計下來每個新的空間信號精度的情況。

這樣一個信號，我們定位的時候會是什麼樣的結果呢？系統在正式上線以後，也進行了大範圍的測試，我們用全國的監測站來接收新發布的信號，來進行定位，它們單頻定位精度可以做到1米的水平，雙頻的定位精度可以小於0.5米，這是環境相對比較正常的監測站。如果把以前生產的用戶機拿來測試，整個定位精度也可以小於1米，雙頻的精度也可以達到這樣一個指標，驗證了這樣的性能在用戶端是完全可以實現的。

這是用戶開機以後三天的數據，很快速的一個定位結果，因為我們經過升級改造以後，它的空間信號精度已經達到0.5米以上，在0.3和0.4米這樣的水平上，所以一開始定位的精度都能夠控制在1-2米，只有很小的誤差。我們對1米的導航用戶來講，只要你接收數據的過程完成以後，你就可能進到剛才說的1米以下的性能，這就跟我們原來大系統所設計的系統初始時間使用，是相匹配的。如果中間發生了一些參數的跳變，也能很快的回到這樣一個結果。

剛才都是針對導航用戶的結果，這樣的性能可能有一些高精度的用戶，我們也關注了一下高精度用戶使用的一個參數，能夠在高精度應用上可能出現一個什麼樣的收斂的情況？我這裡給出了在5分鐘、10分鐘還有15分鐘各個情況下收斂的結果，我們更關注的是導航1米、0.5米這樣一個性能，這樣的性能基本上可以是在雙頻用戶小於5分鐘，單頻用戶也不會超過15分鐘，就可以很穩定地收斂。

動態跑車這個應用是支持所有動態應用的。這是它精度的統計情況，在單頻的時候它也是在1米的範圍，雙頻的時候跟剛才的情況也是接近的。

我們把用戶的情況做了統計，經過北斗現在的提升，我們現在的用戶機可能有兩類，一類是我們已經生產的，在市面上大家普遍使用的終端，這樣的終端它不用改進，因為我們發播的基本導航電文參數已經做了升級，所以目前來看升級的結果它可以做到能夠比原來好8到15米，或者10到20米，這有一個很大的提升，這樣的精度可以做到3到5米。如果我們還是原來的終端，因為系統的協議進行了升級，你在這個基礎上再進行一個處理，這樣用戶的精度就可以有一個比較好的改善。

動態的結果要比剛才靜態的結果差，這也是我今天在會上呼籲用戶終端的廠家，在做軟體的時候，因為去現場看了這個跑車實驗，可能在廣告牌的遮擋的時候，軟體的魯棒性需要一些改進。如果是比較空曠的環境下是完全好於0.5米的性能的，有待於終端把軟體的功能，智能化這塊要做的更好。

我們升級完以後是個什麼情況呢？第一，所有的參數，原信號已經升級了，新增的參數也在所有頻點上已經發播出去了，所以大家可以去接收這樣一個數據，來理解這樣一個協議參數的定義和它的使用要求。第二，老的用戶終端大部分是可以接受這樣一個參數的，對他的軟體進行升級以後，能夠達到高精度的應用。最後我們希望按照這樣一個標準來進行運行，通過這次升級改造以後，高精度的所有系統運行非常的穩定，較2012年以前的穩定性是有了提升，除了精度做了大幅改進，穩定性也有一個很好的提高，普遍的用戶可以廣泛的用這樣的信號。用戶機原有信息都不用改，我可以給出大家做各種各樣設計的時候一個參考條件，這樣一個性能在現有的終端上是可以取得這樣一個結果的。

我認為北斗是基於星基增強，或者廣域差分功能和導航為一體的系統，所以它是一個非常有特色的系統，它目前可以在亞太地區提供分米級的空間信號精度，這樣一個系統可以為我們產業的發展，服務於國家「一帶一路」戰略及海洋戰略，為大眾的服務奠定一個非常好的基礎，我們今天在這個情況下來應用北斗，來推廣我們的產業，謝謝大家。

（報告完）

交流互動環節

問題：

很自豪我們的北斗取得了這麼好的成績。我們導航系統有精度完好性、連續性、可用性這樣一些指標，我看你的報告裡面只提到了精度，不知道其他的幾個性能指標是怎麼樣的，謝謝。

周建華：

我們在連續性、完好性上，原來有一個告警的時間，連續性指標在這次的系統設計上，都是維持了原系統的設計，保持了原來所有的結構，完好性的性能參數和原來是一樣的，就是把精度這塊做了一個改進。改進的效果，是有完好性相關數據標識的。

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