北斗系统空间信号精度测试与评估
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取均方根即可得出广播星历精度。
3.1.2 激光观测量比较法
激光观测量评估广播星历是精度最高的一种手段，也是评价各种卫星轨道最常用的技术手段，通过 误差修正后的高精度测距值和广播星历计算的星地距离比较，即可获得广播星历的精度[9][10]。该方法 是一种独立于系统之外的评估手段，与定轨测量间的相关性不强，评价结果可靠。不足之处是，难于广 泛布站， 仅能获得广播星历对于激光站视线方向精度； 受观测条件影响较大，观测数据有限，其评价精度不 是全方位和全时段。 激光观测量比较法流程详见图4， 主要步骤为： （1） 利用广播星历参数计算卫星位置；（2）对测站坐标进 行潮汐改正、板块运动改正等误差改正；（3）利用广 播星历参数计算的卫星位置和测站坐标计算星地距 离；（4）将星地距离归算到激光发射器相位中心和星 上激光反射器之间的距离，或将星地距离归算到微波 发射天线中心与微波接收天线中心的距离；（5）对观 测量进行各项误差修正；（6）归算后的星地距离与误 差修正后的观测量比较得出每个观测历元广播星历的 误差；（7）对每个观测历元计算的广播星历误差进行 统计分析。
北斗系统空间信号精度测试与评估
高为广 1,2，苏牡丹 1，郭树人 1，贾小林 3，赵齐乐 4
（1. 北京跟踪与通信技术研究所，北京，100094；2. 北京航空航天大学电子信息工程学院，北京，100191；3. 西安测绘研 究所，西安，710054；4. 武汉大学卫星导航工程中心，武汉，430079
1 引
言
卫星导航系统是国家重要的信息基础设施，是关系国家安全的重要战略基础资源。全球卫星导航系 统（GNSS）的发展已进入百花齐放、百家争鸣、群星争艳的时代，GPS、GLONASS、北斗已建成并投 入运行，GALILEO已全面启动研制建设。空间信号精度是评价卫星导航系统服务性能的关键指标，GPS SPS定义空间信号用户距离误差（URE）主要包括卫星星历误差、预报钟差两部分[1]，均由地面运控系 统基于地面监测站通过精密定轨并预报获得，2002年GPS将国家地理空间情报局（NGA）下属11个监测 站纳入运控系统跟踪网，空间信号精度得到了显著提升[2]。目前，北斗卫星导航系统已正式运行服务， 能够为服务区内用户提供集导航、定位、测速、授时和短报文通信于一体的服务[3,4,5]。 为全面监测与评估北斗空间信号精度、电离层模型修正精度，本文首先介绍了试验评估系统、GPS/ 北斗跟踪站网以及实施的全球激光联测专题试验，给出了适应北斗卫星特点的空间信号精度评估方法， 并据此给出了北斗卫星卫星导航系统空间信号精度、电离层模型修正精度的评估结论。
【Abstract】The prime concern of navigation satellite system construction is whether the signal in space accuracy is able to meet user requirement. In order to implement a thorough evaluation of BDS signal in space accuracy, an appropriate evaluation method is given according to Beidou satellites characteristics on the basis of the established testing and evaluation system, GPS/Beidou tracking station network and the implemented global laser measurement test. The Beidou signal in space accuracy and ionosphere model correction accuracy are also observed and evaluated thoroughly. The testing result indicates that: the signal in space of BDS is stable, the broadcast ephemeris error is better than 1.5m, satellite time difference better than 6ns (about 1.8m), User Range Error (URE) accuracy nearly keeps in 2.0m, and the correction accuracy of ionosphere model is better than 75%, which are in accordance with the system establishing requirement of being able to provide users within its coverage with high precision service. 【Key Words】 signal in space; satellite ephemeris; satellite clock correction; ionosphere model; testing and evaluation
3.1.1广播星历与外部事后精密星历比较法
测试与评估建立的地面跟踪站间采用了高精度时间同步技术， 较好的消减了跟踪站钟与卫星钟间的 偶合度，因此利用跟踪网能够获得较高精度的事后精密星历与精密 钟差。事后精密轨道参数、钟差参数与系统广播的星历、钟差参数 比较，可以直接评估卫星钟差、星历参数精度，间接评估URE精度。 该方法可以通过合理布站实现全时段评估，是最全面、最简单，也 是国内外学者评估GPS星历最常用手段之一[7][8]。 轨道与外部事后精密轨道比较法流程见图3，主要步骤为： （1） 利用广播星历参数计算卫星位置；（2）对精密星历进行内插；（3） 计算广播星历获得的卫星位置与精密星历获得的卫星位置的差值； （4）统计多站、多历元广播星历的精度并输出相关报表。 将广播星历计算的卫星位置与事后精密星历结果比较，可以获
图 3 轨道与外部事后精密轨道比较 法流程图
统计分析 报表输出 残差计算 卫星位置计算 精密轨道内插 广播星历参数 精密轨道 广播星历接收 事后精密定轨
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
得广播星历在R、T、N三个方向上的轨道误差，再根据URE转换公式，即可获得广播星历的URE误差。 转换公式如下
URE ( sR R ) 2 ( sAC T ) 2 ( sAC N ) 2 （1） 式中， R 、 T 、 N 分别为径向、迹向和法向三个方向上的轨道误差， sR 和 sAC 为转换系数，与卫星 轨道高度有关，对于 GEO 和 IGSO 卫星， sR 取值 0.992， sAC 取值 0.0881。对所有历元得出的 URE 再
广播钟差的评估按照评估基准的类型，也可采取观测量法、事后钟差比较法两种类型。根据观测量 获取手段不同，观测量法又分激光观测量、星地双向时间同步伪距观测量以及监测站双频伪距观测量等。 精密钟差事后评估广播钟差是目前最直接的评估手段。精密钟差采 用精密定轨获得，将其作为基准与广播钟差计算的卫星钟差比较即 可评估卫星钟差。广播钟差处理流程如图5。需要注意的是，精密钟 差和广播钟差在计算的时候选择的参考钟一般不相同，评估时需要 扣除由于参考钟选择带来的钟差系统误差的影响。
统计分析、报表输出 残差计算 归算后的星地距离 误差修正后观测量 测站偏心修正 质心修正 星地距离计算 接收机钟差改正 卫星钟差改正 电离层改正 对流层改正 相对论改正 地球自转改正 卫星位置计算 潮汐摄动改正 板块运动改正 观测量预处理 广播星历参数 测站坐标 观测量
3.2Hale Waihona Puke Baidu广播钟差评估方法
图 4 观测量与星地距离比较法流程
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
Testing and Evaluation of Signal in Space Accuracy for Beidou Navigation Satellite System (BDS)
Gao Weiguang1,2, Su Mudan1, Guo Shuren1, Jia Xiaolin,3, Zhao Qile4
1. gwg9821@163.com
【摘 要】卫星导航系统空间信号精度能否满足用户需求是系统建设中最为关心的问题。为了全面评估 北斗卫星导航系统空间信号精度，本文基于构建的试验评估系统、GPS/北斗跟踪站网以及全球激光联测 数据，给出了适应北斗卫星特点的空间信号精度评估方法，并对北斗空间信号精度、电离层模型修正精 度进行了全面监测与评估。实测结果表明：北斗空间信号稳定，广播星历精度优于 1.5 米、卫星钟差精 度优于 1.8 米、用户距离误差（URE）2.0 米左右、电离层模型修正精度优于 75%，符合系统研制建设要 求，能够为服务区内用户提高连续稳定的高精度服务。 【关键词】空间信号；卫星星历；卫星钟差；电离层模型；测试评估
（ 1. Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology, Beijing 100094, China; 2. School of Electronic and
Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing, 100191,China;；3. Xian Research Institute of Surveying and Mapping, Xian 710054, China；4. GNSS research center of Wuhan University, Wuhan, 430079, China） 1. gwg9821@163.com
2 测试评估系统组成
为有效评估北斗卫星导航系统空间信号精度，我们充分利用国内有效资源，汇同武汉大学、西安测 绘研究所、中科院国家授时中心等国内科研院所，建设了由6个地面跟踪站（国内5个、南极1个） 、1个数
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据中心、1个分析中心组成的北斗试验评估系统和由15个地面跟踪站组成（国外7个、国内8个） 、1个数据 中心、1个分析中心组成的GPS/北斗跟踪网。据此，对北斗卫星导航系统下行广播星历精度、广播钟差精 度以及广播电离层模型精度进行了全面、系统的评估。试验评估系统跟踪站和GPS/北斗跟踪站分布见图1 和图2。
3 评估方法 3.1 广播星历精度评估方法
广播星历精度评估可从卫星位置和URE两个方面进行，评估基准的精度必须优于广播星历精度一个 量数量级。星历精度评估按照评估基准的类型，可采取观测量与星地距离比较法、轨道与外部事后精密 轨道比较法两种类型[6]。其中，通过与外部事后精密轨道比较法，可评估广播星历在径向、沿迹和法向 各方向的误差以及用户等效距离误差（URE）。观测量与星地距离比较法，可评估广播星历的用户等效 距离误差（URE），具体方法又包括激光观测量比较法、星地双向时间同步伪距观测量比较法、监测站 双频伪距观测量比较法等。
图 1 北斗试验评估系统跟踪站址分
图 2 GPS/北斗跟踪网站址分布
每个跟踪站由1台原子钟、1台监测接收机或测量型接收机、1套气象传感设备、1台数据处理机、1 台网络交换机、1套卫通设备及其他辅助设备组成，数据采集设备均由国内单位自主研发。 此外，为获得高精度外符合精度基准，我们又组织中科院上海天文台、中国环球信息应用开发中心 等单位联合国际激光测距网台站， 实施了北斗GEO/IGSO/MEO卫星全球激光联测任务， 14个国外激光站、 7个国内激光站采集了大量数据，为系统研制建设及试验评估提供了重要支撑。激光站站址及激光测距数 据，可以从ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/免费下载。
3.1.2 激光观测量比较法
激光观测量评估广播星历是精度最高的一种手段，也是评价各种卫星轨道最常用的技术手段，通过 误差修正后的高精度测距值和广播星历计算的星地距离比较，即可获得广播星历的精度[9][10]。该方法 是一种独立于系统之外的评估手段，与定轨测量间的相关性不强，评价结果可靠。不足之处是，难于广 泛布站， 仅能获得广播星历对于激光站视线方向精度； 受观测条件影响较大，观测数据有限，其评价精度不 是全方位和全时段。 激光观测量比较法流程详见图4， 主要步骤为： （1） 利用广播星历参数计算卫星位置；（2）对测站坐标进 行潮汐改正、板块运动改正等误差改正；（3）利用广 播星历参数计算的卫星位置和测站坐标计算星地距 离；（4）将星地距离归算到激光发射器相位中心和星 上激光反射器之间的距离，或将星地距离归算到微波 发射天线中心与微波接收天线中心的距离；（5）对观 测量进行各项误差修正；（6）归算后的星地距离与误 差修正后的观测量比较得出每个观测历元广播星历的 误差；（7）对每个观测历元计算的广播星历误差进行 统计分析。
北斗系统空间信号精度测试与评估
高为广 1,2，苏牡丹 1，郭树人 1，贾小林 3，赵齐乐 4
（1. 北京跟踪与通信技术研究所，北京，100094；2. 北京航空航天大学电子信息工程学院，北京，100191；3. 西安测绘研 究所，西安，710054；4. 武汉大学卫星导航工程中心，武汉，430079
1 引
言
卫星导航系统是国家重要的信息基础设施，是关系国家安全的重要战略基础资源。全球卫星导航系 统（GNSS）的发展已进入百花齐放、百家争鸣、群星争艳的时代，GPS、GLONASS、北斗已建成并投 入运行，GALILEO已全面启动研制建设。空间信号精度是评价卫星导航系统服务性能的关键指标，GPS SPS定义空间信号用户距离误差（URE）主要包括卫星星历误差、预报钟差两部分[1]，均由地面运控系 统基于地面监测站通过精密定轨并预报获得，2002年GPS将国家地理空间情报局（NGA）下属11个监测 站纳入运控系统跟踪网，空间信号精度得到了显著提升[2]。目前，北斗卫星导航系统已正式运行服务， 能够为服务区内用户提供集导航、定位、测速、授时和短报文通信于一体的服务[3,4,5]。 为全面监测与评估北斗空间信号精度、电离层模型修正精度，本文首先介绍了试验评估系统、GPS/ 北斗跟踪站网以及实施的全球激光联测专题试验，给出了适应北斗卫星特点的空间信号精度评估方法， 并据此给出了北斗卫星卫星导航系统空间信号精度、电离层模型修正精度的评估结论。
【Abstract】The prime concern of navigation satellite system construction is whether the signal in space accuracy is able to meet user requirement. In order to implement a thorough evaluation of BDS signal in space accuracy, an appropriate evaluation method is given according to Beidou satellites characteristics on the basis of the established testing and evaluation system, GPS/Beidou tracking station network and the implemented global laser measurement test. The Beidou signal in space accuracy and ionosphere model correction accuracy are also observed and evaluated thoroughly. The testing result indicates that: the signal in space of BDS is stable, the broadcast ephemeris error is better than 1.5m, satellite time difference better than 6ns (about 1.8m), User Range Error (URE) accuracy nearly keeps in 2.0m, and the correction accuracy of ionosphere model is better than 75%, which are in accordance with the system establishing requirement of being able to provide users within its coverage with high precision service. 【Key Words】 signal in space; satellite ephemeris; satellite clock correction; ionosphere model; testing and evaluation
3.1.1广播星历与外部事后精密星历比较法
测试与评估建立的地面跟踪站间采用了高精度时间同步技术， 较好的消减了跟踪站钟与卫星钟间的 偶合度，因此利用跟踪网能够获得较高精度的事后精密星历与精密 钟差。事后精密轨道参数、钟差参数与系统广播的星历、钟差参数 比较，可以直接评估卫星钟差、星历参数精度，间接评估URE精度。 该方法可以通过合理布站实现全时段评估，是最全面、最简单，也 是国内外学者评估GPS星历最常用手段之一[7][8]。 轨道与外部事后精密轨道比较法流程见图3，主要步骤为： （1） 利用广播星历参数计算卫星位置；（2）对精密星历进行内插；（3） 计算广播星历获得的卫星位置与精密星历获得的卫星位置的差值； （4）统计多站、多历元广播星历的精度并输出相关报表。 将广播星历计算的卫星位置与事后精密星历结果比较，可以获
图 3 轨道与外部事后精密轨道比较 法流程图
统计分析 报表输出 残差计算 卫星位置计算 精密轨道内插 广播星历参数 精密轨道 广播星历接收 事后精密定轨
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
得广播星历在R、T、N三个方向上的轨道误差，再根据URE转换公式，即可获得广播星历的URE误差。 转换公式如下
URE ( sR R ) 2 ( sAC T ) 2 ( sAC N ) 2 （1） 式中， R 、 T 、 N 分别为径向、迹向和法向三个方向上的轨道误差， sR 和 sAC 为转换系数，与卫星 轨道高度有关，对于 GEO 和 IGSO 卫星， sR 取值 0.992， sAC 取值 0.0881。对所有历元得出的 URE 再
广播钟差的评估按照评估基准的类型，也可采取观测量法、事后钟差比较法两种类型。根据观测量 获取手段不同，观测量法又分激光观测量、星地双向时间同步伪距观测量以及监测站双频伪距观测量等。 精密钟差事后评估广播钟差是目前最直接的评估手段。精密钟差采 用精密定轨获得，将其作为基准与广播钟差计算的卫星钟差比较即 可评估卫星钟差。广播钟差处理流程如图5。需要注意的是，精密钟 差和广播钟差在计算的时候选择的参考钟一般不相同，评估时需要 扣除由于参考钟选择带来的钟差系统误差的影响。
统计分析、报表输出 残差计算 归算后的星地距离 误差修正后观测量 测站偏心修正 质心修正 星地距离计算 接收机钟差改正 卫星钟差改正 电离层改正 对流层改正 相对论改正 地球自转改正 卫星位置计算 潮汐摄动改正 板块运动改正 观测量预处理 广播星历参数 测站坐标 观测量
3.2Hale Waihona Puke Baidu广播钟差评估方法
图 4 观测量与星地距离比较法流程
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
Testing and Evaluation of Signal in Space Accuracy for Beidou Navigation Satellite System (BDS)
Gao Weiguang1,2, Su Mudan1, Guo Shuren1, Jia Xiaolin,3, Zhao Qile4
1. gwg9821@163.com
【摘 要】卫星导航系统空间信号精度能否满足用户需求是系统建设中最为关心的问题。为了全面评估 北斗卫星导航系统空间信号精度，本文基于构建的试验评估系统、GPS/北斗跟踪站网以及全球激光联测 数据，给出了适应北斗卫星特点的空间信号精度评估方法，并对北斗空间信号精度、电离层模型修正精 度进行了全面监测与评估。实测结果表明：北斗空间信号稳定，广播星历精度优于 1.5 米、卫星钟差精 度优于 1.8 米、用户距离误差（URE）2.0 米左右、电离层模型修正精度优于 75%，符合系统研制建设要 求，能够为服务区内用户提高连续稳定的高精度服务。 【关键词】空间信号；卫星星历；卫星钟差；电离层模型；测试评估
（ 1. Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology, Beijing 100094, China; 2. School of Electronic and
Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing, 100191,China;；3. Xian Research Institute of Surveying and Mapping, Xian 710054, China；4. GNSS research center of Wuhan University, Wuhan, 430079, China） 1. gwg9821@163.com
2 测试评估系统组成
为有效评估北斗卫星导航系统空间信号精度，我们充分利用国内有效资源，汇同武汉大学、西安测 绘研究所、中科院国家授时中心等国内科研院所，建设了由6个地面跟踪站（国内5个、南极1个） 、1个数
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
据中心、1个分析中心组成的北斗试验评估系统和由15个地面跟踪站组成（国外7个、国内8个） 、1个数据 中心、1个分析中心组成的GPS/北斗跟踪网。据此，对北斗卫星导航系统下行广播星历精度、广播钟差精 度以及广播电离层模型精度进行了全面、系统的评估。试验评估系统跟踪站和GPS/北斗跟踪站分布见图1 和图2。
3 评估方法 3.1 广播星历精度评估方法
广播星历精度评估可从卫星位置和URE两个方面进行，评估基准的精度必须优于广播星历精度一个 量数量级。星历精度评估按照评估基准的类型，可采取观测量与星地距离比较法、轨道与外部事后精密 轨道比较法两种类型[6]。其中，通过与外部事后精密轨道比较法，可评估广播星历在径向、沿迹和法向 各方向的误差以及用户等效距离误差（URE）。观测量与星地距离比较法，可评估广播星历的用户等效 距离误差（URE），具体方法又包括激光观测量比较法、星地双向时间同步伪距观测量比较法、监测站 双频伪距观测量比较法等。
图 1 北斗试验评估系统跟踪站址分
图 2 GPS/北斗跟踪网站址分布
每个跟踪站由1台原子钟、1台监测接收机或测量型接收机、1套气象传感设备、1台数据处理机、1 台网络交换机、1套卫通设备及其他辅助设备组成，数据采集设备均由国内单位自主研发。 此外，为获得高精度外符合精度基准，我们又组织中科院上海天文台、中国环球信息应用开发中心 等单位联合国际激光测距网台站， 实施了北斗GEO/IGSO/MEO卫星全球激光联测任务， 14个国外激光站、 7个国内激光站采集了大量数据，为系统研制建设及试验评估提供了重要支撑。激光站站址及激光测距数 据，可以从ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/免费下载。