准天顶卫星系统QZSS(Quasi-Zenith satellite System)是由日本研制的多任务卫星系统，主要为增强GPS在日本区域的可用性，是一个区域性的辅助导航系统。该系统建成后将有三颗高轨卫星，可以确保在日本区域至少跟踪1颗准天顶卫星(QZS)，目前只有一颗在轨卫星(PRN193)。为确保同现代化的GPS信号的兼容性以及互操作性，QZSS播发L1C/A、L1C、L2C以及L5信号，同时L1C与L5同欧洲伽利略(Galileo)系统的E1、E5a同样兼容。通过播发同GPS相似并且兼容的信号，QZSS大大改善了日本区域以及其他亚太地区定位的可用性以及可靠性。与其他导航卫星不同，QZS卫星共有两个发射信号的天线：LS-ANT在L1频段播发亚m级的L1-SAIF信号(submeter-class augmentation with integrity function)，提供类似于目前SBAS的服务，播发包括GPS以及GLONASS的增强信息；另一个天线L-ANT，用于播发一般的导航信号，并且在E6(伽利略E6)频段上播发LEX信号(l-band experimental signal)，主要提供高精度导航服务^[3]。

Rho等对WAAS(wide area augmentation system)的轨道钟差产品进行了评定，指出目前WAAS用户测距误差URE为0.5 m，同时使用WAAS差分产品进行了基于载波的PPP定位实验，通过24 h的静态定位，平面精度可达到cm级^[5]。Heβelbarth等使用SBAS轨道与钟差改正数进行了精密单点定位实验，分别对北美的WAAS、欧洲的EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)以及日本的MSAS(Multi-functional Satellite Augmentation System)等3个增强系统进行了验证，使用WAAS差分信息，2 h的动态PPP可实现0.3 m的精度，与WAAS相比，EGNOS和MSAS存在明显的系统性偏差，STD值是WAAS的2~4倍^[1]。李作虎等使用仿真数据分析了在日本和中国中东部地区QZSS对GPS的导航精度增强性能、完好性增强性能以及可用性性能^[8]。

L1-SAIF信号是由日本ENRI(Electronic Navigation Research Institude)设计的，通过BPSK在L1 C/A(PRN 183)调制，类似于目前的SBAS系统，播发协议是RTCA协议，提供包括GPS、GLONASS、QZSS甚至Galileo(计划中)多GNSS星座的实时亚m级广域差分改正服务、完好性信息以及用于改善定位的测距功能。LEX信号是由日本JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)设计，通过BPSK在E6频段(PRN 193)上调制，主要提供高精度实时PPP服务。相比L1-SAIF 250 bits/s的数据流，LEX数据传输速率更快，达到了2 000 bits/s。目前，L1-SAIF信息以扩展的EMS(EGNOS Message Server)文件格式存储，EMS文件是由EGNOS为SBAS数据采用的格式，在此进行了扩展，包括了GPS、GLONASS以及QZSS多系统的导航信息。LEX则是用JAXA特有的格式进行存储，目前包括GPS与QZSS星的导航信息。

如表 1所示，除信息类型10和11为LEX播发信息，其余为L1-SAIF播发信息。L1-SAIF播发的快变、慢变改正数是相对广播星历而言的，用户在使用L1-SAIF差分改正数时，需要根据慢变改正数中的数据龄期(IODE)与广播星历的IODE相互匹配，然后恢复得到精密星历与钟差，计算公式如式(1)、式(2)，其中在播发信息中如果速度编码为0，则慢变改正数变率( )为 0。但是由于播发信息编码的分辨率(0.125 m)较低，因此，恢复得到的精密星历与钟差精度相对较低。LEX播发信息中，类型10以及类型11包括GPS与QZS卫星(32+3)轨道、钟差，电离层 以及硬件延迟产品，其中电离层参数在类型11中，但只适用于日本区域。一个完整的LEX数据包由11个类型10和1个类型11组成。轨道参数由位置参数POS(x,y,z)、速度参数VEL(x,y,z)、加速度参数ACC(x,y,z)以及加加速度JERK(x,y,z)参数最终确定，计算公式如式(3)，钟差参数包括钟差Af0与钟速Af1。相对于L1-SAIF 0.125 m的分辨率，LEX播发参数分辨率很高，至少μm级，因此,轨道与钟差精度损失很小。

式中,t为当前时间；t_oe为信息播发时刻。

表 1 L1-SAIF与LEX部分播发信息 Tab. 1 Comparison of L1-SAIF and LEX Broadcast Information

信息类型	数据类型	内容	分辨率	更新间隔
2-6, 24	快变改正	FC UDREI	0.125 m -	10 s
24/25	混合/慢变 改正	Δx、Δy、Δz Af0/Af1	0.125 m 2-11 m/s (2-31s/2-39s)/s	60 s/180 s
26	电离层延迟改正	IIGP GIVEI	0.125 m -	300 s
10	星历、钟差	POS(x, y, z) VEL(x, y, z) ACC(x, y, z) JERK(x, y, z) Af0/Af1	2-6m 2-15m/s 2-24m/s2 2-32m/s3 (2-35s/2-48s)/s	3 min
11	电离层(轨道、钟差同类型10)	φ0、λ0 E00 E10、E20、 E01、 E11 E21	1×10-5 radian 1×10-3 m 0.01 m/radian2 0.1 m/radian3	30 min

表选项

L1-SAIF类似于SBAS系统的区域增强信号，播发的增强信息只是针对于 L₁单频用户。钟差是以C₁/X₂(X₂=C₁+P₁-P₂) 为基准估计的^{[1, 4]}，而GPS广播星历是以P₁/P₂为基准^[2]，因此，L1-SAIF与广播星历钟差隐含的基准不同，该基准差异由卫星信号硬件延迟引起。Rho等对WAAS差分改正数的钟差基准同广播星历的基准进行了系统性的研究，指出用户在使用WAAS差分改正数时需要改正1.546倍的dcb_P1C1(码间偏差)，其中dcb_P1C1可使用CODE提供的产品，也可以自己估计，具体算法参见文献[5]。LEX是一个全球增强系统，播发的钟差是以P₁/P₂为基准，这与广播星历以及精密钟差的基准是一致的，因此，用户在使用L1-SAIF和LEX信息时应当区别对待。另外，L1-SAIF与LEX还播发码间偏差，这样可以方便用户使用其他频率进行导航定位，关于码间偏差的使用算法见参考文献[3]。

目前，L1-SAIF与LEX在L1播发的电离层参数都是只针对于日本区域的。其中，L1-SAIF使用格网改正模型，依照RTCA协议，播发格网点(信息类型18)以及电离层延迟(信息类型26)，编码分辨率为0.125 m，因此L1-SAIF播发的电离层精度同样有一定的损失；LEX使用多项式拟合模型，播发起始点经纬度(φ₀、λ₀)以及其他梯度参数(E00、E10、E20、E01、E11、E21，如表 1所示)确定电离层延迟，具体算法见参考文献[3]。

图 1给出部分测站一天之内QZSS卫星(J01)高度角的变化。由于QZSS卫星轨道倾角高，在日本区域基本上可连续观测QZSS卫星，如图 1所示，日本测站mizu一天之内可连续观测QZSS卫星J01，图 1中其他测站均为中国测站，从图 1中可以看出，各测站一天之内至少80%可以观测到QZSS卫星。考虑QZSS卫星的轨道特性以及同样播发与GPS兼容的观测信号，QZSS卫星将改善GPS卫星在中国区域的可用性、增强性，截止高度角越高，QZSS卫星起到的作用也将更加突出^[8]。分别以7°和20°为截止高度角，对60°~180°E，0~60°N的区域进行分析，以5°为间隔划分格网，分别计算各格网点一天之内的可见性，绘制QZSS卫星在研究区域的可见图，如图 2和图 3所示。由图 2和图 3可以看出，中国区域基本可以连续观测到QZSS卫星，其中东部地区即使以20°为截止高度角，一天至少有80%的时段可以观测到QZSS卫星。因此，在中国区域QZSS卫星同样可以辅助增强GPS。

图 1 J01一天之内对部分测站的高度角变化 Fig. 1 J01 Elevation Variations During One Day

图选项

图 2 J01在截止高度角为7°时可用时间百分比 Fig. 2 Percentage of Time During Which J01 Can be Seen at 7° Cut-off Elevation

图选项

图 3 J01在截止高度角为20°时可用时间百分比 Fig. 3 Percentage of Time During which J01 Can be Seen at 20° Cut-off Elevation

图选项

由上分析可知，L1-SAIF是针对日本区域服 务的区域增强系统，在中国大部分区域无法使用L1-SAIF播发的差分改正数，而LEX是针对于全球用户服务，因此下面主要分析LEX在中国区域PPP可达到的精度。

目前IGS的轨道精度约2.5 cm，钟差产品约0.075 ns(http://igscb.jpl.nasa.gov/)，本文使用IGS精密产品作为参考值评估L1-SAIF与LEX播发的差分改正数与轨道钟差。IGS精密轨道是相对于质心的，而L1-SAIF与LEX播发的差分改正数或轨道是相对于卫星相位中心的，因此，需要将精密星历与L1-SAIF和LEX恢复的精密星历统一到同一参考中心，本文将IGS精密轨道改正到相位中心。此外，IGS精密轨道是在ITRF-08框架下，而L1-SAIF与LEX播发的参数目前都是在WGS-84框架下，由于两个参考框架之间的差异仅仅几个cm，因此,精度评估忽略两个参考框架之间的差异。

图 4为2012年年积日107到112连续6 d的统计结果，其中，PRN24星没有星历。从图 4可以看出，LEX播发的轨道与钟差精度明显优于L1-SAIF，由于L1-SAIF是区域增强系统，只针对日本区域服务，各个卫星的轨道、钟差精度并不相同，而LEX播发的轨道与钟差各卫星的精度基本一致。考虑L1-SAIF播发的差分改正数的区域性，在日本区域选择一个测站，分析L1-SAIF的用户测距误差(URE)，计算公式如式(4)所示。以IGS测站MIZU为例，分别给出L1-SAIF与LEX URE以及轨道钟差的比较结果，如图 5、图 6所示。

式中，R、A、C分别为轨道径向、切向、法向误差；CLK为卫星钟差误差。

图 4 2012年DOY 107~ 112 L1-SAIF与LEX轨道 钟差精度比较 Fig. 4 Accuracy Comparison of Corrections of L1-SAIF and LEX from DOY 107 to 112 in 2012

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图 5 L1-SAIF产品精度分析 Fig. 5 Accuracy Analysis of L1-SAIF Corrections

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图 6 LEX产品精度分析 Fig. 6 Accuracy Analysis of LEX Corrections

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图 5给出了2012年年积日(DOY)107到116连续10 d的L1-SAIF产品精度统计。与IGS产品相比，L1-SAIF轨道精度3D RMS约1.6 m，径向、钟差以及切向精度基本相同，约为1 m。对双频用户而言，从式(4)可以看出用户测距误差主要与径向误差以及钟差有关，考虑L1-SAIF产品会与IGS产品有系统差，可以被接收机钟差吸收，因此，URE的精度可以用STD值(约0.5 m)反映，这与目前的SBAS系统，如北美的WAAS系统的精度是一致的。与L1-SAIF相比，LEX精度明显优于L1-SAIF的，如图 6所示。LEX恢复的精密轨道3D RMS优于1 m，径向与法向误差较小，RMS优于0.3 m，切向误差较大，RMS约0.8 m。另外，不同天的LEX恢复的精密钟差差值变化较大，RMS最大可达1.6 m，这应该是与JAXA与IGS选取的基准不同导致的，STD在不同天之间变化相对稳定。分别对统计时段内L1-SAIF与LEX的精度取均值，如表 2所示，LEX的轨道钟差产品整体比L1-SAIF的产品精度高。下面分别使用L1-SAIF与LEX产品进行精密单点定位(PPP)实验，进一步验证这两种产品的精度。

由§2.1可知，LEX播发的精密产品是基于全球的，L1-SAIF播发的差分改正数只适用于日本 区域，选取日本区域以及中国区域的IGS测站(30 s采样率)进行动态精密单点定位实验，测站分布如图 7所示。分别使用L1-SAIF和LEX恢复的精密产品，PPP解算策略见参考文献[9]，选用SINEX文件中的坐标作为参考坐标分别统计N、E、U三个方向的RMS值，图 8分别是使用L1-SAIF与LEX信息一周精密单点定位RMS的均值，包括LEX分别对中国和日本区域的部分测站定位结果。从图中可以看出，使用L1-SAIF差分改正数可达到1 m左右的动态PPP，平面精度优于1 m，E方向RMS统计值优于0.5 m，N方向精度低于E方向精度，分析原因，主要由区域增强系统可视卫星几何分布不均引起。使用LEX增强信息可达到dm级精度，南北方向与东西方向统计值约0.2 m，高程方向RMS可达0.5 m，其中日本区域的aira与smst测站的高程精度略差，需要进一步分析。

图 7 测站分布图 Fig. 7 Distribution of Test Stations

图选项

图 8 L1-SAIF与LEX动态PPP精度对比 Fig. 8 Accuracy Comparison of Kinematic PPP with L1-SAIF and LEX

图选项

图 9给出了mizu、stk2以及yssk等3个测站使用L1-SAIF差分信息动态PPP的时间序列，图 10是bjfs、urum以及mizu等3个测站使用LEX增强信息动态PPP的时间序列。对比图 9与图 10，使用LEX的3个测站收敛后3个方向都在1 m以内，平面优于0.5 m，使用L1-SAIF差分增强信息的3个测站平面精度约2 m，高程方向略差，最大超过4 m。从图 8与图 10可以看 出，中国区域测站使用LEX增强信息可以达到很好的定位精度，考虑中国区域基本可连续观测到QZSS卫星，尤其在东部地区以20°为截止高度角仍可连续观测QZSS卫星，因此，使用 LEX增强信息在中国区域可实现实时dm级精密单点定位。

图 9 L1-SAIF 2012年DOY 107 三个测站动态 PPP时间序列 Fig. 9 Kinematic PPP Time Series with L1-SAIF Corrections in DOY 107 of 2012

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图 10 LEX 2013年DOY 244 三个测站动态 PPP时间序列 Fig. 10 Kinematic PPP Time Series with LEX Corrections in DOY 244 of 2013

图选项

本文对QZSS的两种增强信息的服务性能开展研究，以IGS最终产品为参考评定L1-SAIF与LEX增强信号的精度。结果表明，L1-SAIF可以达到与目前的SBAS相同的精度，URE约0.5 m，LEX播发的轨道与钟差精度较高，三维精度约0.8 m，用户测距误差约0.4 m，可保证实现实时的dm级定位。分别使用两种增强系统恢复得到的精密产 品进行事后的动态PPP解算，解算结果表明：L1-SAIF可实现平面1 m以内，高程约1.2 m的精度，LEX精度较高，平面0.2 m，高程0.5 m。此外，中国大部分地区一天之内80%的时段可连续观测到QZSS卫星，尤其是东部沿海地区以20°为截止高度角的情况下，因此，在我国使用LEX实现亚m级/dm级实时PPP定位具有可行性，同时QZSS系统IGSO卫星增强信息播发对我国北斗导航系统IGSO卫星功能设计具有一定的参考意义。