（基于协方差阵的星基增强系统卫星完好性监测改进方法）

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标题：基于协方差阵的星基增强系统卫星完好性监测改进方法

作者：郑帅勇*，高孟志，黄智刚，靳小琴，李琨

主题词：星基增强系统；卫星完好性监测；星历星钟协方差阵；凹槽模型；性能评估

Name：Operation of satellite-based augmentation system for differential corrections and integrity information

Satellite integrity monitoring for satellite-based augmentation system by the improved covariance-based method

（图片来自作者）

Satellite integrity monitoring for satellite-based augmentation system: an improved covariance-based method

Shuaiyong Zheng*, Mengzhi Gao, Zhigang Huang, Xiaoqin Jin and Kun Li

Satellite Navigation (2022) 3: 9

引用文章:

Zheng, S. Y., Gao, M. Z., Huang, Z. G. et al. Satellite integrity monitoring for satellite-based augmentation system: an improved covariance-based method. Satell Navig3, 9 (2022). https://doi.org/10.1186/s43020-022-00070-6

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‍https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-022-00070-6

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Editorial Summary

SBAS: Satellite Integrity Monitoring

Satellite integrity monitoring can provide the confidence of the differential corrections for each monitored satellite, and is vital to the stringent safety-of-life requirements in aviation navigation. However, the existing direct statistic methods suffer from a low integrity bounding percentage. Further, BDSBAS faces many difficulties in integrity monitoring, especially in the south of the inverted triangle and the edge area of the monitoring network. With its monitor stations deployed in the domestic limited region, BDSBAS urgently needs a satellite integrity monitoring method to support its test certification and subsequent performance improvement.

In this paper, we develop an improved covariance-based method to determine satellite integrity information and evaluate its performance. Compared with the state-of-the-art methods, the performance in the range domain and position domain is improved. The proposed method is useful for the satellite integrity monitoring of a satellite-based augmentation system.

本文亮点

1. 综合考虑多种误差源和星站几何信息等进行卫星完好性监测，提出了一种基于协方差阵的星基增强系统卫星完好性监测改进方法。

2. 评估所提方法在伪距域和定位域的性能，分析了中国区、北美区的多种性能指标。

内容简介

卫星完好性监测可以为被监测卫星提供差分改正数置信度，是航空导航的生命安全应用的重要技术指标。然而，现有卫星完好性监测算法伪距域包络率不足。并且，北斗星基增强系统由于中国倒三角地形和有限的监测网布局，其完好性监测存在诸多困难，迫切需要卫星完好性监测技术手段支持其测试认证和后续性能提升。

为了解决这些问题，结合伪距残差和星站几何信息，提出了一种基于协方差阵的星基增强系统卫星完好性监测改进方法，并评估其在伪距域和定位域的性能。与直接统计法相比，所提算法的完好性包络率和可用性都得到了提升。与基于协方差阵的方法相比，所提算法的用户差分测距误差的收敛率得到了提高。该方法可用于星基增强系统的卫星完好性监测。

图文导读

I 基于星站几何的凹槽模型

为了解决卫星可见监测站数目过少或监测网布局有限时的完好性监测难题，分析星站几何特性以支持卫星完好性监测。由图1可以看出，监测站几何信息

、伪距残差标准差

均与卫星的监测站数目的变化趋势相反且变化趋势呈现凹槽状。

因此，可以构造如图2所示的描述伪距标准差s统计特性的凹槽模型。

图 1

和WAAS播发的关系

。

图 2 参数s的凹槽模型。

II伪距域性能分析

采用国际GNSS监测评估系统和美国国家大地测量局的广播星历、观测数据等分析所提算法性能，比较所提算法（ICB法）与直接统计法（DS法）、协方差阵法（CB法）等先进算法的性能差异。

在图3中，DS法、ICB法和CB法的平均完好性包络率分别为79.96%、99.88%和99.90%。结果表明：ICB法的完好性包络率比DS法高24.91%，与CB法接近，ICB法的完好性包络率明显高于DS法。

图 3 三种算法的完好性包络率。

在图4中，ICB法的UDRE收敛率介于CB法和DS法的UDRE收敛率之间。结果表明：ICB法的UDRE收敛率比CB法高8.04%，比DS法低。收敛率对于SBAS完好性监测非常重要，适当的收敛率才能保障合适的可用率，ICB法性能较佳。

图 4 各颗卫星的UDRE收敛率。

III定位域性能分析

选取北美36个用户进行LPV200服务可用性分析。在图5中，DS法、ICB法和CB法的平均可用性分别为91.26%、96.40%和97.15%。结果表明：ICB法的可用性比DS法高5.63%，比CB法低0.77%。ICB法的可用性明显高于DS法，与CB法相似。考虑到用户9和22位于北美监测网的边界区域且其性能较差，分析结果具有一定的偶然性。

图 5 北美用户的服务可用性。

作者简介

郑帅勇 博士

本文第一和通讯作者

天津理工大学

▍作者简介

郑帅勇，天津理工大学讲师，北京航空航天大学博士，研究方向为卫星导航/组合导航。已发表学术论文十余篇，出专著一部。

初审：段鹏丽

复审：宋启凡

终审：金 君

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