基于TESLA协议的BDSBAS电文认证技术

星基增强系统（SBAS）能为航空、航海等生命安全领域提供完好性增强服务，针对SBAS服务的欺骗风险，面向北斗星基增强系统（BDSBAS）发展，提出基于中国商用密码标准算法的时间效应流丢失容错认证机制（TESLA）电文认证方案。阐述SBAS电文认证架构与TESLA认证原理，开展基于中国商用密码标准算法的BDSABS认证电文编排及空中密钥更新（OTAR）的电文播发设计，针对L5I与L5Q开展认证时间间隔和最大认证延迟等指标的理论分析，进一步从OTAR信息权重和解调错误率2方面仿真首次认证时间指标。仿真结果能为基于TESLA协议的BDSBAS电文认证提供一定的理论支持。     

面向BDSBAS电文认证的OTAR播发策略设计

星基增强系统（SBAS）是向用户提供完好性信息的广域增强系统，涉及生命安全领域。为了提高SBAS系统的抗欺骗能力，基于椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）提出面向北斗星基增强系统（BDSBAS）的电文认证设计方案。根据国内商用密码标准椭圆曲线（SM2）算法进行相应参数设计和电文排布方案，并描述了空中密钥更新（OTAR）的电文播发策略。为了进一步对试验方案进行验证，采用蒙特卡罗OTAR仿真器，基于3种播发调度算法进行仿真试验，通过调整权重对不同情况下OTAR电文接收时间进行分析。仿真结果为具体情况下OTAR电文方案播发调度的选择提供了重要参考依据。      

北斗D2导航电文解析和完好性性能分析

为评估北斗D2导航电文对系统空间信号完好性影响，对D2导航电文结构和内容进行研究。首先，通过基本导航信息的解析，给出了确定卫星位置和用户位置过程所需的信息和时间，并对受卫星星历和时钟影响的用户测距误差做了说明，介绍了电离层误差、对流层误差改正模型。然后，通过增强服务信息的解析，论述了完好性信息（RURA、UDRE）及格网电离层延迟的计算方法。最后给出了使用完好性信息、用户局部误差获取用户定位误差保护级的算法。     

北斗三号系统广域差分服务精度评估

为了保证北斗系统广域差分服务的平稳过渡，北斗三号系统（BDS-3）通过GEO卫星B1I/B3I信号播发北斗二号协议广域差分改正信息，包括等效钟差改正数与格网点电离层信息。分析了增加BDS-3卫星后，等效钟差改正数和格网点电离层信息的特征，并对BDS-2和BDS-3的用户差分距离误差（UDRE）进行了对比。联合BDS-2和BDS-3实测数据，对BDS-3广域差分服务定位精度进行了评估。分析结果表明:BDS-2卫星广播星历空间信号用户等效距离误差（UERE）约为1 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.3 m；BDS-3卫星广播星历空间信号用户等效距离误差约为0.4 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.2 m。等效钟差改正数可以修正广播电文更新带来的空间信号阶跃误差，显著提升卫星空间信号精度。与基本导航系统播发的Klobuchar 8模型，广域差分系统所播发的格网点电离层信息可将电离层误差修正精度提高约18%。与单独BDS-2卫星相比，BDS-2/BDS-3卫星联合条件下，基本导航的单频用户和双频用户定位精度可分别提升26%和41%；广域差分服务的单频用户定位精度为2.4 m，双频用户定位精度为1.7 m，单频用户和双频用户定位精度分别提升13%和41%。      

WAAS卫星播发电文一致性分析

星基增强系统(SBAS)是在传统GNSS的基础上为了进一步满足民航用户对卫星导航系统越来越高的精度、完好性、连续性和可用性需求而应运而生.目前全球已建立起了多个SBAS系统,其中提供服务时间最长的是美国的WAAS系统.WAAS系统包括38个参考站、3个主控站、6个上注站和3颗GEO卫星,每个参考站配备3套独立的监测接收...     

北斗星基增强系统性能评估

以实际广播星历、精密星历和北斗星基增强系统(BDSBAS)增强报文为实验数据，通过计算BDSBAS轨道误差、卫星钟差、空间信号测距误差和BDSBAS格网电离层有效点、播发时间和电离层延迟误差6个指标，评估分析了BDSBAS空间信号的性能。结果显示：BDSBAS增强后的GPS卫星轨道误差在切向、法向、径向分别降低了34.57%,40.57%,30.90%；卫星钟差均方根降低了24.31%，卫星钟差标准差降低了16.8%；空间信号测距误差相比增强前降低了32.75%;BDSBAS格网电离层有效点覆盖了中国及周边地区；BDSBAS各点电离层延迟播发间隔均达到ICAO对精确差分定位的要求；电离层延迟在0°-5°N范围内误差在0.4 m以上，可信度均达到99.9%，在5°-55°N范围内误差小于0.4 m，可信度均为100%;BDSBAS水平定位误差提升超过25%，垂直定位误差提升超过50%，完好性均在99.9%以上。     

基于子集包含减少ARAIM子集数量的方法

先进接收机自主完好性监测（ARAIM）技术可用于多星座组合定位时的完好性监测，ARAIM技术子组推荐的多假设分离解（MHSS）标准算法，存在子集数量过多带来大量计算负载的问题。针对此问题，在双星座组合定位情景下，通过分析子集之间的包含关系及空间位置精度因子（PDOP）的变化，提出了使用一个子集代替多个子集减少子集数量的方法。所提方法可以明显地减少子集数量，不同参数下的仿真结果表明，优化后的算法效率至少提高2倍以上，并且优化前后的ARAIM可用性变化最大不超过3%。      

RTCA协议下北斗完好性降效参数算法设计及检验

目前我国北斗导航增强系统的完好性参数设计缺少针对差分信息有效性的降效参数设计,不满足航空无线电委员会（RTCA）提出的接口协议,无法同国际其他GNSS星基增强系统相兼容。根据RTCA接口协议,针对我国卫星导航系统的完好性降效参数处理算法进行了研究,利用北斗实测数据分析了完好性降效参数对用户增强服务的影响,验证了算法的有效性。结果表明,正常情况下,北斗导航系统增强服务三维定位精度可达到113m。当用户丢失部分差分改正信息时,定位精度约144m,精度下降约274%,利用完好性降效参数对过期差分信息进行降效处理,优化定位权阵,可将定位精度提高至117m,达到正常增强服务水平。     

IFB不确定性对双频码载分歧监测的影响分析

码载分歧（CCD）监测器是卫星导航地基增强系统（GBAS）引入的完好性监测器之一，用于监测码伪距与载波相位观测值之间的不一致性。双频平滑技术的引入改变了CCD监测器的检验统计量等参数，进而影响了监测性能。针对双频GBAS中存在的频间偏差（IFB），基于北斗双频观测数据，分析IFB不确定性对于双频码载分歧监测性能的影响。研究结果表明:在IFB不确定性的影响下，监测器的阈值增大了26.1%，导致其在发生CCD故障情况下的漏检率显著增大，最小可检测故障值增大了26.9%，监测器的灵敏度降低；最坏情况下系统完好性损失概率从低于10-14增大到接近10-8，同时机载端为满足漏检率性能安全要求所引入的延迟值更大，导致CCD监测器的故障响应变慢，双频GBAS的完好性受到影响。     

GPS导航电文参数表示的测距误差分析

针对在GPS现代化进程中将出现的新的CNAV/CNAV-2导航电文格式,比较了目前发播的GPS NAV导航电文与新电文在数据表达方式上的差别.为了衡量不同的数据截断方式对于导航定位的影响,引用导航数据截断测距误差的概念进行分析.利用实际的导航数据对于两种电文结构进行了仿真生成、处理,比较星历/星钟参数截断带来的测距误差影响.结果表明:相比于NAV电文,CNAV/CNAV-2由于截断所造成的测距误差更小,NAV电文对截断误差更敏感.其中星历参数截断的测距误差改善可达厘米级,星钟参数截断的测距误差改善可达分米级.因此,在带宽有限的条件下应优先考虑提高星钟参数的表示精度.改进星钟参数的表达形式可望获得更高的精度提升.     

中国区域电离层异常数据野值检测

针对中国区域连续运行参考站接收机野值会干扰星基增强系统（SBAS）电离层异常事件提取的问题，提出了一种基于电离层垂直延迟时间梯度的野值检测方法。首先，介绍了电离层延迟数据的提取方法；然后，论述了依据野值和电离层异常的不同时空相关特性进行野值检测的方法，并用单双频定位误差结果验证了野值检测的正确性；最后，对检测结果进行了分析。结果表明:该方法可有效区分野值和电离层异常；在中国大陆构造环境监测网络200多个参考站中，野值检测所剔除的参考站数目在3~10个，对电离层穿透点空间分布的影响在可接受范围内。      

基于强化学习的时间触发通信调度方法

未来航空电子系统中将会更广泛地选择基于时间触发的通信机制进行信息传输,以保证信息交互的确定性。如何合理地进行时间触发通信调度设计是时间触发应用于航空电子互连系统的关键。针对时间触发调度的周期性任务,提出了一种基于强化学习的周期调度时刻表生成方法。首先,将流量调度任务转换为树搜索问题,使之具有强化学习所需要的马尔可夫特性;随后,利用基于神经网络的强化学习算法对调度表进行探索,不断缩短延迟时间以优化调度表,且在训练完成后,可以直接使用到消息分布相近的任务中。与使用Yices等可满足模理论（SMT）形式化求解时间触发调度表方法相比,所提方法不会出现无法判定的问题,能够保证时间触发调度设计结果的正确性和优化性。对于包含1 000条消息的大型网络,所提方法的计算速度为SMT方法的数十倍以上,并且调度生成消息的端到端延迟在SMT方法的1%以下,大大提高了消息传输的及时性。      

Design of BDS-3 integrity monitoring and preliminary analysis of its performance

With the improvement in the service accuracy and expansion of the application scope of satellite navigation systems, users now have high demands for system integrity that are directly related to navigation safety. As a crucial index to measure the reliability of satellite navigation systems, integrity is the ability of the system to send an alarm when an abnormity occurs. The new-generation Beidou Navigation Satellite System (BDS-3) prioritized the upgrading of system integrity as an important objective in system construction. Because the system provides both basic navigation and satellite-based augmentation system (SBAS) services by the operational control system, BDS-3 adopts an integrated integrity monitoring and processing strategy that applies satellite autonomous integrity monitoring and ground-based integrity monitoring for both the basic navigation service and SBAS navigation service. BDS-3 also uses an improved and refined integrity parameter system to provide slow, fast and real-time integrity parameters for basic navigation, and provide SBAS-provided integrity information messages in accordance with Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA) specification and dual frequency, multi-constellation (DFMC) specification to support the SBAS signal frequency, single constellation operation and DFMC operation respectively. The performance of BDS-3 system integrity monitoring is preliminarily verified during on-orbit testing in different states, including normal operation, satellite clock failure and satellite ephemeris failure. The results show that satellite autonomous integrity monitoring, ground-based integrity monitoring and satellite-based augmentation all correctly work within the system. Satellite autonomous integrity monitoring can detect satellite clock failure but not satellite orbit failure. However, ground-based integrity monitoring can detect both. Moreover, the satellite-based augmentation integrity system monitors the differential range error after satellite ephemeris and clock error corrections based on user requirements. Compared to the near minute-level time-to-alert capability of ground-based integrity monitoring, satellite autonomous integrity monitoring reduces the system alert time to less than 4 s. With a combined satellite-ground monitoring strategy and the implementation of different monitoring technologies, the BDS-3 integrity of service has been considerably improved.     

软件定义时间触发网络的调度算法优化

软件定义时间触发以太网（TTE）作为优化航空电子系统中消息调度的一种新模式，其动态在线调度算法必须尽力保证任何情况下所有消息的传输确定性。针对时间触发（TT）消息调度间隔小于消息帧长（小时隙）时，速率约束RC消息延迟增大、传输确定性降低的问题，对TT消息调度算法进行改进。首先，构建了TTE的系统模型，阐明了最小延迟（MID）调度算法和背靠背（B2B）调度算法的机制；然后在其基础上提出了大孔隙（MAV）调度算法，以减少（RC）消息的等待延迟；最后，利用OMNeT++实验分析这3种调度算法的性能。实验结果表明:当无小时隙TT消息时，B2B算法的消息延迟最大、MAV调度算法和MID调度算法的消息延迟接近。当有小时隙TT消息时，MAV调度算法的消息传输确定性更好，相比于MID调度算法，MAV调度算法下RC消息的传输确定性提高了87.3%。      

GNSS global real-time augmentation positioning: Real-time precise satellite clock estimation,prototype system construction and performance analysis

Lots of ambiguities in un-differenced (UD) model lead to lower calculation efficiency, which isn’t appropriate for the high-frequency real-time GNSS clock estimation, like 1 Hz. Mixed differenced model fusing UD pseudo-range and epoch-differenced (ED) phase observations has been introduced into real-time clock estimation. In this contribution, we extend the mixed differenced model for realizing multi-GNSS real-time clock high-frequency updating and a rigorous comparison and analysis on same conditions are performed to achieve the best real-time clock estimation performance taking the efficiency, accuracy, consistency and reliability into consideration. Based on the multi-GNSS real-time data streams provided by multi-GNSS Experiment (MGEX) and Wuhan University, GPS + BeiDou + Galileo global real-time augmentation positioning prototype system is designed and constructed, including real-time precise orbit determination, real-time precise clock estimation, real-time Precise Point Positioning (RT-PPP) and real-time Standard Point Positioning (RT-SPP). The statistical analysis of the 6 h-predicted real-time orbits shows that the root mean square (RMS) in radial direction is about 1–5 cm for GPS, Beidou MEO and Galileo satellites and about 10 cm for Beidou GEO and IGSO satellites. Using the mixed differenced estimation model, the prototype system can realize high-efficient real-time satellite absolute clock estimation with no constant clock-bias and can be used for high-frequency augmentation message updating (such as 1 Hz). The real-time augmentation message signal-in-space ranging error (SISRE), a comprehensive accuracy of orbit and clock and effecting the users’ actual positioning performance, is introduced to evaluate and analyze the performance of GPS + BeiDou + Galileo global real-time augmentation positioning system. The statistical analysis of real-time augmentation message SISRE is about 4–7 cm for GPS, whlile 10 cm for Beidou IGSO/MEO, Galileo and about 30 cm for BeiDou GEO satellites. The real-time positioning results prove that the GPS + BeiDou + Galileo RT-PPP comparing to GPS-only can effectively accelerate convergence time by about 60%, improve the positioning accuracy by about 30% and obtain averaged RMS 4 cm in horizontal and 6 cm in vertical; additionally RT-SPP accuracy in the prototype system can realize positioning accuracy with about averaged RMS 1 m in horizontal and 1.5–2 m in vertical, which are improved by 60% and 70% to SPP based on broadcast ephemeris, respectively.     

基于TTE的改进加权轮询调度算法

在时间触发以太网(TTE)中,TT消息优先级最高,RC消息只能在TT消息调度的离散时间片内传输,因此,TT消息离线调度表的设计会对RC消息调度产生一定影响。针对这一问题,提出了基于最优时间片的改进加权轮询(MWRR)调度算法。首先,通过TT消息约束条件限制获得TT消息离线调度表,进而得到保证RC消息较大资源利用率的时间片信息;其次,在离散时间片对不同类型RC消息进行调度,并运用网络演算方法对其最坏端到端延迟进行分析;最后,通过实验仿真证实了本文算法不仅具有较低的复杂度和较好的公平性,保证了实际应用中算法的可行性,而且在时延性方面均优于先到先得(FIFO)、优先级(PQ)和加权轮询(WRR)调度算法。     

NeQuick G model based scale factor determination for using SBAS ionosphere corrections at low earth orbit

A space-based augmentation system (SBAS) provides real-time correction data for global navigation satellite system (GNSS) users near ground. In order to use the SBAS ionosphere correction for low Earth orbit (LEO) satellites, the correction should be scaled down for the LEO altitude. This scale factor varies with ionosphere distribution and it is hard to determine the value at LEO in real time. We propose a real-time scale factor determination method by using Galileo GNSS’s NeQuick G model. A LEO satellite GPS data and SBAS data received on ground were used to evaluate the performance of the NeQuick G derived variable scale factor. The NeQuick G derived scale factor shows a significant accuracy improvement over NeQuick G model or pre-determined constant scale factor. It improves a vertical positioning accuracy of the LEO satellite. The error mean reductions of the vertical positioning over NeQuick G and the constant scale factor are 31.5% and 11.7%, respectively.