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0 引言
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随着卫星导航应用场景的不断拓展和深化，用户对导航定位性能的要求不断提高，卫星导航系统性能已成为卫星导航领域竞争的重点.在全球导航卫星系统国际委员会（International Committee on Global Navigation Satellite Systems，ICG）、国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）和美国导航学会（The Institute of Navigation，ION）会议等重大会议上都会有服务性能指标体系的相关议题[1-2].美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、欧洲Galileo和我国北斗卫星导航系统管理机构先后发布了一系列服务性能规范[3-5].服务性能规范文件的更新体现了相应卫星导航系统发展与服务性能的提升，但不同系统的指标体系间存在差异.目前并没有形成导航卫星系统服务性能指标体系的国际标准，卫星导航系统的服务性能评估成为比较活跃的研究领域.
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区别于GPS、Galileo和GLONASS，北斗三号全球卫星导航系统（简称北斗三号系统，BDS-3）采用独特的混合星座设计（24 MEO+3 GEO+3 IGSO），而且除了全球定位导航授时（Radio Navigation Satellite Service，RNSS）服务外，还提供星基增强（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）、精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）、区域短报文通信（Regional Short Message Communication，RSMC）、全球短报文通信（Global Short Message Communication，GSMC）、国际搜救（Search and Rescue，SAR）和地基增强（Ground Augmentation System，GAS）等6类服务[6]，这些服务有些是全球服务，有些是覆盖中国及周边以亚太地区为主的区域服务，服务面向不同类型的用户，具有不同的定位精度、可用性、完好性、通信性能等指标需求，因此需要研究适合北斗系统的综合评估体系.
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本文将源自网络通信的服务质量（Quality of Service，QoS）概念引入北斗系统服务性能评估，首先提出一种QoS分级模型，随后根据北斗系统服务类型不同给出初步的评估指标设计，最后分析以RNSS服务为代表的QoS保障机制与指标映射关系.
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1 北斗系统QoS分层模型
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服务质量（QoS）最初是网络通信中的概念，是网络提供给应用/用户服务性能的一种测量，通常指网络在传输数据流时要满足的一系列服务请求，具体可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标，强调端到端或网络边界到边界的整体性[7].QoS不仅体现了服务提供者提供服务质量本身的物理意义，还反映了用户的需要并将对用户的满意度产生影响[8].
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本文将QoS概念引入北斗系统综合服务评估，提出了一种分层模型，如图1所示.图的左侧对应系统服务QoS和用户感知QoS，不同行业领域不同使用环境的用户对卫星导航定位服务质量需求不同，而卫星导航系统通过提供不同的产品和服务来满足各种用户多样化的需求.图的右侧对应卫星导航系统的组成架构，分为物理层、服务层、通信层和应用层.物理层包括卫星、基站（包括注入站）、接收机和通信设备等.服务层包括空间段的星座设计、信号设计、服务模式和星载原子钟，也包括地面段的精密定轨、时间同步、差分增强、电文编辑注入等关键技术.导航系统的服务质量与服务层的关键技术密切相关，在后面保障机制和指标映射中将进一步分析.应用层是指卫星导航的各种应用，包括地理信息、农林渔业、航空航海、民众减灾、交通、大众消费、IoT和金融电力等行业和领域[9-10].通信层包括卫星通信、光纤通信和移动网络通信，代表着观测数据和导航产品的通信传输方式.
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2 北斗系统QoS评估指标设计
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北斗三号系统的星座设计、信号设计和服务模式设计与其他GNSS系统明显不同，体现了北斗特色:一是在全球覆盖基础上更加重视亚太地区性能; 二是兼容北斗二号各类服务，确保平稳过渡; 三是实现星基增强、卫星通信等功能与导航定位服务的融合[6].北斗三号系统QoS的评估侧重于系统播发产品的性能，包括精度、可用性、连续性、完好性、通信容量等维度，不考虑用户使用环境和终端设备差异造成的影响.
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2.1 北斗系统QoS分类标准
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根据北斗三号系统提供的7类服务设计了QoS分类标准，如表1所示.其中QCI 为QoS 类别标识（QoS Class Identifier），每个类别定义了对应于不同服务指标参数的系统服务类型.根据服务区域范围和指标要求的不同，分为区域RNSS、全球RNSS、SBAS（APV-I）、SBAS（CAT-I）、地基广域增强服务、地基区域增强服务、地基增强后处理服务、精密单点定位（PPP）服务、精密单点定位模糊度固定（Precise Point Positioning Ambiguity Resolution，PPP-AR）服务、精密单点实时动态定位（PPP-RTK）服务、区域短报文通信（RSMC）、全球短报文通信（GSMC）和搜索与救援（SAR）共计13项服务.其中精密单点定位PPP服务既包括北斗三号系统提供的PPP服务，也包括千寻位置提供的星基高精度精密定位服务[11].
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图1 北斗系统QoS分层模型
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Fig.1 BDS QoS hierarchical model
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2.2 北斗系统服务质量的评估指标
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参考《北斗卫星导航系统应用服务体系（1.0版）》[12]以及国内外学者对北斗系统性能评估的文献[13-16]，得到北斗系统不同类别QoS的指标参数如表2—8所示.
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表2中RNSS为定位导航授时（Positioning Navigation Timing，PNT）服务，即北斗系统的公开服务，用户通过接收北斗系统卫星的伪距、载波、多普勒等测距信号和导航电文信息，进行实时PNT计算.其QoS指标参数主要包括空间信号测距误差（Signal in Space Range Error，SISRE）、空间信号可用性、空间信号连续性、PDOP可用性、定位精度、授时精度和测速精度.
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表3的SBAS是指主要为民航和海事用户提供的星基增强服务，用户除了接收公开服务，还可以通过GEO卫星接收包括卫星轨道、卫星钟差和电离层误差在内的差分改正信息和完好性信息，提升用户定位的精度和可靠性[17].根据国际民航组织在《标准和建议措施:附件10》（Standards and Recommended Practices，SARPS Annex 10）中空间信号性能要求[18]，得到北斗系统SBAS QoS指标参数，其中QCI值为3代表垂直引导进近（APV-I）阶段的服务质量指标，QCI值为4代表I类精密进近（CAT-I）阶段的服务质量指标.UHNE（User Horizontal Navigation Error）为用户水平定位误差，UVNE（User Vertical Navigation Error）为用户垂直定位误差，VAL（Vertical Alarm Level）为垂直告警水平，ToA（Time to Alarm）为告警时间.
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注:D为基线长度，单位km.
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表4的GAS为地基增强系统服务，通过规划建设地基增强站网，利用卫星、移动通信、数字广播等播发手段，在服务区域内提供1~3 m、分米级和厘米级实时高精度导航定位服务.QCI值为5代表广域增强服务，包括单频伪距增强服务、单频载波相位增强服务和双频载波相位增强服务.QCI值为6代表区域增强服务，提供厘米级网络RTK服务.QCI值为7代表毫米级后处理相对基线测量服务.
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表5的PPP为精密单点定位服务，用户除了接收公开服务外，还可以通过GEO卫星接收高频更新的高精度精密轨道和精密钟差改正信息，通道时延偏差以及大气延迟改正信息等，实现分米级甚至厘米级的定位导航.其中QCI值为8代表常规的精密单点定位（PPP）服务，系统播发精密轨道和精密钟差产品，通常要在30 min收敛到厘米级.QCI值为9代表PPP-AR，系统除了提供精密轨道和精密钟差产品外，还提供UPD产品缩短初始化收敛时间.QCI值为10代表PPP-RTK，通过密集基准站网设施，对大气延迟信息进行精密空域和时域建模，并将这些增强的改正信息播发给用户使用，大大缩短了模糊度收敛时间[19].
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表6的RSMC为区域短报文通信服务，通过GEO卫星为中国及周边地区特许用户提供短报文通信、RDSS定位和授时服务.短报文通信是北斗系统的特色服务，利用双向链路解决了特定情况（无通信网络）用户位置与状态的信息获取问题，广泛应用于灾害救援、应急指挥和通信安全等领域.其QoS指标参数包括服务成功率、服务频度、终端发射功率、响应时延、服务容量、单次报文最大长度、定位精度和双向授时精度.
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表7的GSMC为全球短报文通信服务，利用14颗MEO卫星，向位于地表及其以上1 000 km空间的特许用户提供服务，可覆盖包括南北极的全球区域，支持GNSS定位，双向通信提升了SAR的精度和协作能力，在生命安全领域作用巨大.其QoS指标参数包括服务成功率、终端发射功率、响应时延、服务容量和单次报文最大长度.
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表8的SAR是北斗系统利用MEO卫星，按照国际搜救卫星组织标准，与其他搜救卫星系统联合向全球航海、航空和陆地用户提供免费遇险报警服务，并具备返回链路确认服务能力.其QoS指标参数包括检测概率、独立定位概率、独立定位精度、地面接收误码率和可用性.
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3 QoS保障机制与指标映射
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3.1 QoS保障机制
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系统服务质量的保障依赖于各种关键技术和运维措施，QoS保障研究的挑战是在有限资源条件下如何满足用户需求.以北斗RNSS服务为例，其QoS保障机制如图2所示，受限于区域布站的有限条件，为了提高系统播发的卫星轨道和钟差的精度，基于北斗区域地面跟踪站和星间链路观测数据实现了全球卫星高精度定轨和时间同步[20]，其关键技术包括星地星间联合定轨、钟差约束定轨、星地星间时间同步和卫星钟差预报技术.而QoS指标参数中PDOP可用性和空间信号可用性主要取决于星座设计和卫星健康状态; SISRE由广播轨道精度和广播钟差精度决定; 空间信号连续性与卫星健康状态和卫星计划中断信息密切相关; PNT性能与PDOP、SISRE和定位模式相关.关键技术还包括光纤/卫通双路传输、数据处理与质量保障、电文设计与播发策略、故障快速恢复等.
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3.2 QoS指标映射
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北斗系统服务有多个QoS指标，以RNSS为例，包括空间信号测距误差（SISRE）、定位/授时/测速精度、PDOP可用性、空间信号可用性、定位可用性和空间信号连续性等.其中，SISRE、定位/授时/测速精度指标属于北斗服务的性能范畴，其他可用性和连续性指标属于服务可靠性范畴.上述系统服务指标在平台服务层又对应更多的参数指标，QoS映射就是将导航系统服务的QoS指标映射为平台服务层的指标，如图3所示.图中用三种不同的箭头标识QoS指标间不同的映射关系:正相关说明一个QoS指标的变化引起另外一个QoS指标相同趋势的变化（比如轨道精度或者钟差精度的提升，则带来SISRE精度的提升）; 负相关说明一个QoS指标的变化引起另外一个QoS指标相反趋势的变化（比如随着数据龄期的增加，SISRE和定位精度都会降低）; 影响不确定是指一个QoS指标的变化对另外指标影响不确定（比如卫星健康信息影响单星的可用性和连续性，但对以星座为主的PDOP可用性和定位可用性影响不确定）.
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图2 北斗RNSS 服务质量保障机制
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Fig.2 BDS RNSS QoS guarantee mechanism
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图3 北斗RNSS 服务质量指标映射
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Fig.3 Index mapping in RNSS QoS
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4 结论
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2020年6月，北斗三号导航卫星系统完成建设，正式提供全球服务.BDS-3在设计建设过程中，采用了基本系统与增强系统一体化的建设思路，融合定位、导航、授时、通信和搜救服务，形成了北斗系统的特色和优势.对提供多类服务的卫星导航系统服务质量进行评估具有科学和工程意义.
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将通信领域内的QoS概念引入导航系统服务性能评估，探讨了一种涵盖RNSS、SBAS、GAS、PPP、RSMC、GSMC、SAR服务在内的综合评估指标体系，通过分析保障机制与指标映射，提供了在复杂情况下实现多QoS指标优化的途径，以及异常情况下快速定位故障源头，确保服务的稳定性与可靠性，给相关学者提供了一种思路.
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摘要
针对北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)多种类型服务综合评估的问题,将网络通信中的服务质量(QoS)概念引入到北斗系统服务评估,提出了一种北斗系统QoS分层模型,给出了初步的分类评估指标设计,涵盖北斗系统全球定位导航授时(RNSS)服务、星基增强服务(SBAS)、精密单点定位服务(PPP)、区域短报文通信服务(RSMC)、全球短报文通信服务(GSMC)、国际搜救服务(SAR)和地基增强服务(GAS).通过分析服务的保障机制与指标映射关系,提供了在复杂情况下实现多QoS指标优化以及异常情况下快速定位故障源头的途径,确保了北斗系统服务的稳定性与可靠性.研究结果可为我国北斗卫星导航系统综合性能评估提供参考.
Abstract
To comprehensively evaluate the services provided by the BeiDou Navigation Satellite System(BDS-3),a concept of Quality of Service(QoS) in network communication is introduced and then a QoS hierarchical model is proposed.A preliminary classified evaluation index design is given,covering BDS-3 services of Radio Navigation Satellite Service(RNSS),Satellite-Based Augmentation System(SBAS),Precise Point Positioning(PPP),Regional Short Message Communication(RSMC),Global Short Message Communication(GSMC),Search and Rescue(SAR) and Ground Augmentation System(GAS).Then the service guarantee mechanism and parameters mapping relationship are analyzed,thus to provide a way to optimize multiple QoS indicators in complex conditions and quickly locate the source of the fault in abnormal conditions.The research results are expected to provide references for the comprehensive evaluation of BDS performance.
