北斗三號(hào)衛(wèi)星新信號(hào)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

李樹(shù)文, 王潛心, 龔佑興

(1中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 自然資源部國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116; 3.國(guó)防科技大學(xué) 軍事基礎(chǔ)教育學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是中國(guó)完全獨(dú)立自主研制開(kāi)發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS),與美國(guó)的GPS、歐洲的Galileo及俄羅斯的格洛納斯并稱為全球四大導(dǎo)航系統(tǒng),也是GNSS的重要組成部分之一[1]。我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展遵循三步走的發(fā)展戰(zhàn)略,北斗三號(hào)系統(tǒng)(BDS-3)作為三步走戰(zhàn)略的最后一步,有著重大意義[2]。BDS-3由27顆中圓地球軌道(Medium Earth Orbit,MEO)衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)衛(wèi)星及5顆地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit,GEO)衛(wèi)星組成,可以面向全球范圍提供服務(wù),具有高精度、高可靠、高保險(xiǎn)、多功能等特點(diǎn)[3]。

為了進(jìn)一步改善北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的性能,提高信號(hào)利用效率、兼容性及互操作性,BDS-3在全球服務(wù)范圍內(nèi),在保留了BDS-2衛(wèi)星B1I、B3I信號(hào)的基礎(chǔ)上,新增了B1C和B2a信號(hào),實(shí)現(xiàn)了信號(hào)性能提升,也考慮了與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容與互操作,其中,B1C和GPS的L1、Galileo的E1,B2a與GPS的L5、Galileo的E5a兼容互操作[4-5]。文獻(xiàn)[6-7]利用國(guó)際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)(International GNSS Monitoring & Assessment System,iGMAS)數(shù)據(jù)對(duì)BDS-3衛(wèi)星進(jìn)行精密定軌和鐘差分析,并與BDS-2作了對(duì)比分析;文獻(xiàn)[8]對(duì)BDS-3試驗(yàn)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其相比于BDS-2有了進(jìn)一步的提升;文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)BDS-3衛(wèi)星觀測(cè)質(zhì)量與GPS處于同一水平;文獻(xiàn)[10]對(duì)香港的北斗偽距和載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估,發(fā)現(xiàn)IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星在偽距觀測(cè)值多路徑效應(yīng)方面比GEO衛(wèi)星變化明顯;文獻(xiàn)[11]對(duì)BDS-3衛(wèi)星軌道性能進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)BDS-3在測(cè)距精度和衛(wèi)星軌道精度方面優(yōu)于BDS-2;文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)BDS-3的12顆MEO衛(wèi)星工作性能相當(dāng)。

目前BDS-3完成組網(wǎng)不久,相關(guān)的研究分析主要是針對(duì)于BDS-3和BDS-2的老信號(hào),而針對(duì)BDS-3新信號(hào)B1C和B2a的研究較少[9,12-13]。本文利用iGMAS跟蹤站數(shù)據(jù),評(píng)估BDS-3 MEO衛(wèi)星的性能,重點(diǎn)分析其B1C、B2a頻點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量,與GPS和Galileo對(duì)比,更加客觀地分析BDS-3新信號(hào)性能水平。

1 數(shù)據(jù)獲取

iGMAS是中國(guó)在國(guó)際上發(fā)起的全球連續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng),在2011年6月首次被提出,其主要目的是建立全球信號(hào)跟蹤網(wǎng)絡(luò),監(jiān)控GNSS的服務(wù)性能和信號(hào)質(zhì)量,以向全球用戶提供高質(zhì)量服務(wù)。截至目前,iGMAS已在海內(nèi)外建立24個(gè)跟蹤站,本文選取其中19個(gè)能接收到BDS-3新信號(hào)的測(cè)站,測(cè)站接收機(jī)、天線及數(shù)據(jù)類型信息見(jiàn)表1所列。本文選擇2020年4月1日至10日共10 d(年積日91～101 d)的19個(gè)iGMAS測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù),采用自主編寫(xiě)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件[14],從數(shù)據(jù)完整率、信噪比、多路徑效應(yīng)和電離層延遲變化率等4個(gè)方面對(duì)9顆BDS-3衛(wèi)星(C19～C22,C27～C30,C32)新信號(hào)B1C和B2a的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,并通過(guò)與GPS L1/L5、Galileo E1/E5a對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證BDS-3衛(wèi)星的性能水平。

表1 iGMAS測(cè)站接收機(jī)、天線及數(shù)據(jù)接收類型信息

2 數(shù)據(jù)完整率分析

數(shù)據(jù)完整率是衡量接收機(jī)觀測(cè)文件可用性和完好性的重要指標(biāo)之一,主要檢驗(yàn)數(shù)據(jù)丟棄觀測(cè)歷元數(shù)及相關(guān)丟失情況,反映了接收機(jī)接收數(shù)據(jù)性能的優(yōu)劣,也可以體現(xiàn)周圍環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)接收的影響。數(shù)據(jù)完整率越大,表明數(shù)據(jù)質(zhì)量越高。數(shù)據(jù)完整率定義為:

(1)

其中:i、j分別為頻點(diǎn)號(hào)和衛(wèi)星號(hào);H、R分別為完整觀測(cè)值數(shù)量和理論觀測(cè)值數(shù)量。在本文中,完整觀測(cè)值是指第j顆衛(wèi)星的第i個(gè)頻點(diǎn)在某一歷元同時(shí)具有偽距、載波相位、多普勒頻移及信噪比觀測(cè)值,衛(wèi)星高度角不小于截止高度角。理論觀測(cè)值可以通過(guò)衛(wèi)星高度角是否大于截止高度角來(lái)判斷。在大部分情況下,為了更加全面地體現(xiàn)接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的完整率,會(huì)將截止高度設(shè)為0°。19個(gè)iGMAS測(cè)站9顆BDS-3衛(wèi)星在年積日92～101 d的B1C和B2a完整率如圖1所示。從圖1可以看出:B1C頻點(diǎn)各站間的完整率還是存在較大差異的,同一測(cè)站不同衛(wèi)星間也是存在差異的,CHU1(5)和GUA1(9)站相對(duì)表現(xiàn)較差,平均完整率在90%左右,其他各站的完整率能達(dá)到95%左右;對(duì)于B2a頻點(diǎn),除了CHU1(5)站表現(xiàn)較差,平均完整率僅在60%～80%,其余各站的完整率表現(xiàn)能夠體現(xiàn)BDS-3衛(wèi)星具有較好的一致性。B1C、B2a頻點(diǎn)分別有83%、90%的數(shù)據(jù)完整率在95%以上,從總體上看,B2a在完整率方面比B1C略優(yōu)一些。

圖1 年積日 92～101 d各測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率均值

為了更好地評(píng)估BDS-3新頻點(diǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量,將GPS的L1/L5、Galileo的E1/E5a及BDS-3的B1C/B2a數(shù)據(jù)完整率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比,PETH站年積日92～101 d 3個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率對(duì)比如圖2所示。

圖2 PETH站年積日92～101 d GPS/BDS/Galileo數(shù)據(jù)完整率

由圖2可知: GPS的L1和L5頻點(diǎn)最為穩(wěn)定,并且其完整率都在99%以上;B1C和B2a次之,兩者的變化幅度都不大,基本在97%～98%之間;而Galileo的E1最差,具有明顯的波動(dòng)性,浮動(dòng)范圍為86%～96%,E5a相比之下變化較小,在94%～98%之間。

3 信噪比分析

信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)是指接收機(jī)載波信號(hào)功率與噪聲功率的比值,也稱為載噪比,單位為dB-Hz,一般用來(lái)反映信號(hào)質(zhì)量的高低,是載波相位觀測(cè)值的重要質(zhì)量指標(biāo)之一,可以直接從觀測(cè)文件中獲取,SNR越大,表明信號(hào)越強(qiáng),觀測(cè)質(zhì)量越高。計(jì)算年積日92～101 d 19個(gè)測(cè)站B1C和B2a頻點(diǎn)的SNR,對(duì)其取平均值,結(jié)果見(jiàn)表2所列，如圖3所示。

圖3 各測(cè)站B1C和B2a頻點(diǎn)SNR

表2 BDS-3衛(wèi)星新信號(hào)SNR均值 單位：dB-Hz

各站B1C頻點(diǎn)的SNR存在一定的差異,除了CHU1(5)和GUA1(9)站平均值在43 dB-Hz左右,其余的基本上都在44 dB-Hz以上,但BDS-3衛(wèi)星間具有良好的一致性。B2a頻點(diǎn)整體差異性較小,整體范圍在42～46 dB-Hz之間,在同一測(cè)站各顆衛(wèi)星差異較小,一致性較高。從表2可以看出,在SNR方面,B2a略優(yōu)于B1C。

為了更好地體現(xiàn)B1C和B2a頻點(diǎn)的性能,將B1C/B2a、L1/L5及E1/E5a信號(hào)的SNR值按高度角統(tǒng)計(jì)取均值,PETH站在年積日第99天各信號(hào)的SNR值如圖4所示。各信號(hào)的SNR與高度角呈正相關(guān),即隨著高度角增加,SNR增大,并且逐漸趨于穩(wěn)定;B1C優(yōu)于L1和E1,有2 dB-Hz左右的差距,B1C在低高度角大約為44 dB-Hz,在天頂方向達(dá)到最大值,約為50 dB-Hz;L5優(yōu)于B2a和E5a,有約2 dB-Hz的差距,L5在天頂方向達(dá)到最大值,為53 dB-Hz左右,而B(niǎo)2a、E5a基本在一個(gè)量級(jí)上,浮動(dòng)范圍在40～50 dB-Hz。

圖4 PETH站年積日第99天各信號(hào)的SNR

4 多路徑效應(yīng)分析

因?yàn)槎鄠€(gè)路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)(multipath effect,MP)。MP對(duì)GNSS觀測(cè)精度有著嚴(yán)重影響,也會(huì)引起信號(hào)的失鎖,是導(dǎo)航定位服務(wù)中一個(gè)重要誤差源。所以通過(guò)分析多路徑誤差來(lái)檢驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量顯得尤為重要。偽距多路徑誤差呈周期性變化,含隨機(jī)噪聲,且MP無(wú)法和噪聲完全分開(kāi),因此本文考慮的MP包括了噪聲的影響。雙頻偽距觀測(cè)值的多路徑誤差計(jì)算,可以采用偽距和載波相位觀測(cè)值線性組合,消除低階電離層和對(duì)流層延遲的影響,則衛(wèi)星某頻點(diǎn)的偽距觀測(cè)值MP[15]可以表示為:

(2)

其中:下標(biāo)a、b(a≠b)表示衛(wèi)星的不同信號(hào);M為偽距多路徑誤差;P、φ分別為偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值;λ為對(duì)應(yīng)頻率的波長(zhǎng);α=fa/fb,f為載波的頻率;B為包括整周模糊度等的誤差。2020年年積日92～101 d,19個(gè)測(cè)站9顆BDS-3衛(wèi)星B1C、B2a頻點(diǎn)的偽距MP均方根(root mean square,RMS)值如圖5所示。

圖5 各測(cè)站B1C和B2a的偽距MP RMS

B1C不同站點(diǎn)之間存在較大差異,其中最大值為0.54 m,最小值為0.10 m,0.30 m以下的MP RMS值占比為74%,BRCH(2)站和LPGS(14)站表現(xiàn)較差,而其余站的MP RMS值在平均值左右,各衛(wèi)星之間也相差不大;B2a頻點(diǎn)與B1C頻點(diǎn)相比,各站變化較小,最大值為0.45 m,最小值為0.11 m,0.30 m以下的MP RMS值占比達(dá)到了78%,除了BRCH(2)和RDJN(16)站MP RMS值較大外，其余站的平均值基本在0.30 m以下。由上述分析及表1可知,不同環(huán)境對(duì)接收機(jī)性能的影響較大,GNSS-GGR對(duì)B1C的接收能力較差。19個(gè)測(cè)站MP RMS值的平均值見(jiàn)表3所列。由表3結(jié)果及上述分析可知,B2a和B1C在抑制MP方面差異較小,B2a略優(yōu)于B1C。

表3 BDS-3衛(wèi)星新信號(hào)偽距MP RMS均值 單位：m

PETH站年積日第99天各衛(wèi)星信號(hào)的偽距MP RMS值與高度角的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 PETH站年積日第99天各信號(hào)的偽距MP RMS

圖6中,從整體趨勢(shì)看,各衛(wèi)星信號(hào)的MP RMS值與高度角呈負(fù)相關(guān),隨著高度角增加而減小。在同一高度角時(shí),L1優(yōu)于B1C和E1,在低高度角時(shí)差距較大,達(dá)到0.20～0.30 m,隨著高度角增加,差異逐漸減小,在天頂方向達(dá)到0.10 m左右;E5a優(yōu)于L5和B2a,但從總體上看,B2a和E5a相差不大,且隨著高度角增加而減小,在天頂方向相差為0.05 m。由此可知,在MP方面,BDS新信號(hào)與GPS、Galileo重疊頻率已經(jīng)處于同一水平上。

5 電離層延遲分析

(3)

其中,tk為第k個(gè)歷元的觀測(cè)時(shí)刻。

9顆BDS-3衛(wèi)星19個(gè)測(cè)站在年積日92～101 d B1C和B2a頻點(diǎn)的IOD RMS值如圖7所示。從圖7可以看出,B1C頻點(diǎn)不同站點(diǎn)之間的差異較小,相同測(cè)站不同衛(wèi)星間的差異也是比較小的,這也表明了BDS-3衛(wèi)星的一致性,其IOD RMS平均值在0.5 m/min左右;B2a頻點(diǎn)不同測(cè)站間差距較大,有部分測(cè)站IOD RMS平均值在1.0 m/min左右,但是同一測(cè)站不同衛(wèi)星間的差異也是較小的。19個(gè)測(cè)站IOD RMS平均值見(jiàn)表4所列。

圖7 各測(cè)站B1C和B2a頻點(diǎn)的IOD RMS

表4 BDS-3衛(wèi)星新信號(hào)IOD RMS均值

對(duì)表4及圖7進(jìn)行分析可知,顯然在削弱電離層延遲方面,B1C頻點(diǎn)更優(yōu)于B2a頻點(diǎn)。將衛(wèi)星信號(hào)按高度角分段計(jì)算IOD RMS,PETH站在年積日第99天不同信號(hào)IOD RMS與高度角的變化關(guān)系如圖8所示。

從圖8可以看出,兩者整體呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。在高度角較小時(shí),E1優(yōu)于L1和B1C,分別能達(dá)到0.07、0.08、0.12 m/min,隨著高度角增加,三者IOD RMS值減小,并最終在天頂方向趨于相同,為0.01 m/min;在高度角較小時(shí),E5a優(yōu)于L5和B2a,隨著高度角增加,B2a下降的速度最快,一直到天頂方向,三者基本在同一水平,達(dá)到0.01～0.02 m/min。

圖8 PETH站年積日第99天各信號(hào)的IOD RMS

根據(jù)上述分析,在合適高度角時(shí),BDS-3新信號(hào)和GPS、Galileo兼容頻率在IOD方面是沒(méi)有差異的。

6 結(jié) 論

本文利用19個(gè)iGMAS測(cè)站10 d的觀測(cè)數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)完整率、信噪比、多路徑效應(yīng)及電離層延遲變化率等4個(gè)方面來(lái)評(píng)估BDS-3 MEO衛(wèi)星B1C、B2a信號(hào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,并且與GPS L1/L5、Galileo的E1/E5a對(duì)比分析,結(jié)果表明:

(1) BD070接收機(jī)接收數(shù)據(jù)性能不穩(wěn)定,對(duì)新信號(hào)的捕獲表現(xiàn)得不敏感,B2a的數(shù)據(jù)完整率比B1C略優(yōu)一些,B1C、B2a數(shù)據(jù)完整率基本上和GPS L1/L5處于同一水平,優(yōu)于Galileo的E1/E5a。

(2) 信噪比方面,B1C和B2a相差不大,且不同類型的接收機(jī)未表現(xiàn)出較大的差異;BDS-3的B1C要高于L1、E1 1～2 dB-Hz;而B(niǎo)2a與E5a水平相當(dāng),小于L5 2～3 dB-Hz。

(3) 部分CETC-54-GMR-4016接收機(jī)偽距多路徑誤差出現(xiàn)較大值的情況,表明測(cè)站周圍環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)接收的影響還是比較明顯的;B2a略優(yōu)于B1C,L1小于B1C/E1 0.10 m左右,而B(niǎo)2a優(yōu)于L5 0.10 m左右,略差于E5a。

(4) 電離層延遲變化率方面,B1C明顯優(yōu)于B2a,且差異較大,表明B1C信號(hào)在抑制電離層延遲變化率方面更好;B1C/E1略優(yōu)于L5,L5/B2a/E5a基本上處于同一水平,相差不大。

總體而言,BDS-3衛(wèi)星B1C和B2a信號(hào)各方面表現(xiàn)良好,相差不大,其與GPS、Galileo的兼容頻率處于同一水平,在信噪比、電離層延遲變化率等方面甚至優(yōu)于GPS和Galileo,為BDS的下一步發(fā)展提供了前提條件。