北斗三號(hào)系統(tǒng)在環(huán)南極地區(qū)的信號(hào)質(zhì)量與基本定位服務(wù)性能分析

趙建 安家春 艾松濤 王澤民 朱李忠 宋翔宇,3,4

(1 武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心,湖北 武漢 430079; 2 黑龍江測(cè)繪地理信息局極地測(cè)繪工程中心,黑龍江 哈爾濱 150081; 3 石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050043; 4 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(石家莊鐵道大學(xué)),河北 石家莊 050043)

提要 隨著北斗三號(hào)衛(wèi)星定位系統(tǒng)(BDS-3)的逐步建成,北斗系統(tǒng)的服務(wù)范圍已從亞太地區(qū)擴(kuò)展到全球,而極地具有重要的科研、航運(yùn)等價(jià)值,因此北斗三號(hào)在環(huán)南極地區(qū)的定位性能需要進(jìn)行全面評(píng)估。利用在中山站、長(zhǎng)城站以及環(huán)南極航行的“雪龍”號(hào)上采集的2018—2020年的北斗三號(hào)數(shù)據(jù),本文從可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)及位置精度因子、多徑值與信噪比、偽距單點(diǎn)定位精度等方面,分析了BDS 在環(huán)南極地區(qū)的信號(hào)質(zhì)量和定位性能。結(jié)果表明: BDS 在環(huán)南極地區(qū)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)均介于4～20 顆之間,其衛(wèi)星可見(jiàn)性及位置精度因子優(yōu)于GPS; BDS 的中軌道地球衛(wèi)星(MEO)多徑值與GPS 衛(wèi)星相當(dāng),而B(niǎo)DS 的地球同步軌道衛(wèi)星(GEO)和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)由于在極區(qū)的高度角較低,多徑值較大; 在定位精度方面,環(huán)南極地區(qū)的BDS 偽距單點(diǎn)定位精度在7 m 以?xún)?nèi),滿(mǎn)足北斗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。盡管北斗三號(hào)系統(tǒng)還在逐步完善之中,但已經(jīng)解決了高緯度地區(qū)衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)較少的問(wèn)題,明顯提升了定位精度,其中長(zhǎng)城站2020年初的定位精度相對(duì)于2019年初已經(jīng)提升50%。

0 引言

為適應(yīng)國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要,20 世紀(jì)90年代起,中國(guó)開(kāi)始著手北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)。根據(jù)北斗“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略,北斗三號(hào)系統(tǒng)最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星已于2020年6月23日發(fā)射,北斗全球星座部署圓滿(mǎn)完成[1]。北斗三號(hào)系統(tǒng)的建成,標(biāo)志著北斗系統(tǒng)的服務(wù)范圍已從亞太地區(qū)擴(kuò)展到全球。

在極區(qū)的北斗系統(tǒng)定位性能評(píng)估方面,杜玉軍等[2]利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)北斗二號(hào)(BDS-2)基本系統(tǒng)定位性能分析表明,在南極等中高緯度地區(qū),由于衛(wèi)星分布較差及可見(jiàn)數(shù)較少等原因,定位精度較低或無(wú)法定位。在BDS-2 全面建成后,王澤民等[3]對(duì)其在南極中山站地區(qū)的基本定位性能進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果表明BDS-2 在該地區(qū)已初步具備全天導(dǎo)航定位的能力,但存在衛(wèi)星分布不夠均勻、GEO 衛(wèi)星高度角較低、電離層模型精度較差等問(wèn)題。楊元喜等[4]對(duì)BDS-2 在極區(qū)的仿真分析表明,BDS-2 在極區(qū)總體覆蓋較差,需要依賴(lài)其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)才能實(shí)現(xiàn)極區(qū)導(dǎo)航。Wang 等[5]對(duì)BDS-3 衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)及精度因子(Dilution of Precision,DOP)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在衛(wèi)星截止高度角為5°情況下,全球范圍內(nèi)可見(jiàn)BDS-3 衛(wèi)星數(shù)為8～14 顆,在極區(qū)的水平精度因子(Horizontal Dilution of Precision,HDOP)最小、垂直精度因子(Vertical Dilution of Precision,VDOP)最大。倪煜淮等[6]通過(guò)仿真分析得到結(jié)論,在包括南北極區(qū)的全球范圍內(nèi),BDS-3 在衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)及幾何精度因子(Geometric Dilution of Precision,GDOP)方面優(yōu)于GPS。Yang 等[7]通過(guò)計(jì)算得到國(guó)內(nèi)BDS-3的用戶(hù)等效距離誤差為1 m 左右,并在以中國(guó)境內(nèi)的用戶(hù)等效距離誤差表征BDS-3 全球信號(hào)質(zhì)量的前提下,預(yù)計(jì)北斗三號(hào)系統(tǒng)全面建成后,全球定位精度將達(dá)到1.3～2.7 m。

相比其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),北斗三號(hào)系統(tǒng)高軌衛(wèi)星多,抗遮擋能力強(qiáng),在低緯度尤其亞太地區(qū)優(yōu)勢(shì)明顯。但是,作為一個(gè)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),北斗三號(hào)在環(huán)南極等高緯度地區(qū)的實(shí)際觀測(cè)質(zhì)量、定位精度如何,需要進(jìn)一步驗(yàn)證。依托中國(guó)南極科學(xué)考察,本研究于2018年10月30日到2019年3月10日在“雪龍”號(hào),以及2018年10月30日到2020年6月1日在長(zhǎng)城站和中山站,采集了GPS 和BDS 數(shù)據(jù)。然后從衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)及三維位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)、多徑值與信噪比、偽距單點(diǎn)定位效果等方面,對(duì)BDS-3 在西南極、東南極和南大洋區(qū)域的定位性能進(jìn)行了全面的評(píng)估。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)采集說(shuō)明

如圖1 所示,藍(lán)線是2018—2019年中國(guó)第35次南極科學(xué)考察的“雪龍”號(hào)數(shù)據(jù)采集路線,“雪龍”號(hào)途徑西太平洋、南大洋等區(qū)域; 兩個(gè)紅點(diǎn)分別是長(zhǎng)城站(GWBD)和中山站(ZHON)的位置。長(zhǎng)城站(62°12'59"S,58°57'52"W)位于西南極南設(shè)得蘭群島的喬治王島西部的菲爾德斯半島,中山站(69°22'24.76"S,76°22'14.28"E)位于東南極大陸伊麗莎白公主地拉斯曼丘陵。長(zhǎng)城站和中山站采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所研制的接收機(jī),采樣率30 秒,可以接收GPS、GLONASS、Galileo 以及BDS 的四系統(tǒng)多頻點(diǎn)數(shù)據(jù)[8-10]。“雪龍”號(hào)采用徠卡GM30 接收機(jī),采樣率30 秒,可以接收北斗衛(wèi)星的B1I、B2I 頻段數(shù)據(jù)[8-10],但無(wú)法接收北斗三號(hào)B1C、B2a、B2b、B3I 頻段數(shù)據(jù)。由于北斗二號(hào)系統(tǒng)中的B2I 在北斗三號(hào)系統(tǒng)中已經(jīng)被性能更優(yōu)的B2a 所取代,因此徠卡GM30 實(shí)際接收到的北斗三號(hào)數(shù)據(jù)只有B1I 單頻數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)采集期間“雪龍”號(hào)航線Fig.1.The route of Xuelong icebreaker during data collection

北斗三號(hào)衛(wèi)星發(fā)射情況如表1 所示。截至“雪龍”號(hào)數(shù)據(jù)采集結(jié)束日期,共有19 顆北斗三號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空[1,11],其中18 顆衛(wèi)星在軌狀態(tài)正常; 截至2020年6月1日,29 顆衛(wèi)星在軌狀態(tài)正常。

表1 北斗三號(hào)衛(wèi)星發(fā)射列表[1]Table 1.The launching list of BDS-3 satellites

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)及PDOP 值

一般來(lái)說(shuō),衛(wèi)星導(dǎo)航定位需要接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)至少4 顆衛(wèi)星,接收機(jī)觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)越多,約束條件就越多,定位精度也就越高。衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)通過(guò)計(jì)算測(cè)站衛(wèi)星高度角,與截止高度角比較后得到,本文在衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)的分析中設(shè)置衛(wèi)星截止高度角為10°。

由測(cè)量衛(wèi)星及接收機(jī)空間幾何分布所帶來(lái)的用戶(hù)等效距離誤差到最終定位誤差或定時(shí)誤差的放大系數(shù)稱(chēng)為DOP,即精度因子[11],其中位置精度因子(PDOP)主要反映衛(wèi)星空間幾何分布狀況,其值越小,衛(wèi)星空間分布圖形強(qiáng)度越高[2,4]。本文以觀測(cè)衛(wèi)星組的狀態(tài)矩陣為依據(jù),采用較為常用的方向余弦法,即利用衛(wèi)星星座的方向余弦計(jì)算PDOP 值[12]。

1.2.2 信噪比與多徑值

信噪比在衛(wèi)星導(dǎo)航中指載波信號(hào)功率與噪聲功率的比值,由于該值與接收機(jī)噪聲帶寬有關(guān),為便于不同接收機(jī)性能對(duì)比,通常用載噪比(C/N0)表示[13-14],單位為dBHz,其值可以在觀測(cè)文件中直接獲得。信噪比反映了接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)的抗干擾能力,信噪比越大,信號(hào)質(zhì)量就越好[3]。

由于測(cè)站周邊環(huán)境反射信號(hào)導(dǎo)致的干涉時(shí)延效應(yīng)稱(chēng)為多路徑效應(yīng)[15],其所產(chǎn)生的多路徑誤差常通過(guò)采用偽距和雙頻載波相位組合觀測(cè)值消除對(duì)流層、電離層等誤差的影響計(jì)算得到[16-17]。實(shí)際計(jì)算中,由于公式中模糊度參數(shù)項(xiàng)計(jì)算復(fù)雜,常通過(guò)移動(dòng)平均的方法求解偽距多路徑誤差,即選取一定歷元數(shù)的多徑值組合項(xiàng)取平均,再用當(dāng)前歷元的多徑值組合項(xiàng)減去平均值,從而消去模糊度參數(shù)項(xiàng)及一些系統(tǒng)誤差,得到當(dāng)前歷元的偽距多路徑誤差近似值[18-20],該方法已被TEQC、RTKLIB 等軟件使用[21]。

1.2.3 偽距單點(diǎn)定位

偽距單點(diǎn)定位是利用接收機(jī)在同一時(shí)刻測(cè)得四顆及四顆以上衛(wèi)星的偽距,通過(guò)衛(wèi)星播發(fā)的廣播星歷求解各衛(wèi)星位置,根據(jù)后方交會(huì)原理求定接收機(jī)天線的三維坐標(biāo)。本文在RTKLIB 軟件(2.4.3 b33 版本)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改寫(xiě),實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS和BDS 數(shù)據(jù)的偽距單點(diǎn)定位和雙頻精密單點(diǎn)定位功能,進(jìn)而對(duì)各測(cè)站和雪龍?zhí)柹喜杉腉PS、BDS 觀測(cè)資料進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理,并以測(cè)站GPS 雙頻精密單點(diǎn)定位結(jié)果作為真值,對(duì)BDS 偽距單點(diǎn)定位結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。要特別指出的是,在偽距單點(diǎn)定位的電離層延遲改正中,對(duì)GPS 和 BDS 觀測(cè)資料分別采用 Klobuchar 和BDGIM 模型修正電離層延遲誤差,其中BDGIM是由北斗三號(hào)衛(wèi)星播發(fā)的用于單頻用戶(hù)定位服務(wù)的全球電離層修正模型[9,22-24]。在進(jìn)行精密單點(diǎn)定位時(shí),采用武漢大學(xué)提供的精密星歷及鐘差文件,通過(guò)消電離層組合模型消去電離層延遲誤差。另外,對(duì)流層模型均采用薩斯塔莫寧模型,截止高度角均設(shè)置為10°。

2 衛(wèi)星可見(jiàn)情況及PDOP 值分析

衛(wèi)星的可見(jiàn)性和空間分布直接影響著定位的可行性和精度,本節(jié)從這兩個(gè)方面對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分別得到長(zhǎng)城站、中山站及“雪龍”號(hào)航線上的GPS、BDS的衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)及PDOP值,如圖2 所示。

在2018年底至2019年初期間,長(zhǎng)城站BDS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)保持在4～12 顆且PDOP 值在0～50 之間,而GPS 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為6～14 顆且PDOP 值在0～5 之間,這表明GPS 在長(zhǎng)城站衛(wèi)星可見(jiàn)情況更好、圖形精度更高。由于接收機(jī)故障,2019年1月底至2月初長(zhǎng)城站BDS 與GPS 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)有明顯下降,甚至少于4 顆。中山站BDS 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)保持在8～18 顆且PDOP 在1～2 之間,而GPS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為8～14 顆且PDOP 在1～4 之間,這表明BDS 在中山站衛(wèi)星可見(jiàn)及PDOP 值方面表現(xiàn)優(yōu)于GPS。“雪龍”號(hào)BDS 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在4～16 顆之間且PDOP 值在0～10 之間,而GPS 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為6～14 顆且PDOP 值在0～5 之間,整體來(lái)看GPS與BDS 在“雪龍”號(hào)上衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)及PDOP 值的表現(xiàn)相當(dāng)。三個(gè)測(cè)站中,BDS 衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)及PDOP值表現(xiàn)有如下規(guī)律: 中山站＞“雪龍”號(hào)＞長(zhǎng)城站,這是由于BDS 衛(wèi)星在東半球的分布比在西半球好。

圖 2 GPS 和 BDS 的衛(wèi)星可見(jiàn)情況及 PDOP 值.a)和 b)長(zhǎng)城站(2018.10.30—2019.3.10); c)和 d)長(zhǎng)城站(2020.1.1—2020.6.1); e)和f)中山站(2018.10.30—2019.3.10); g)和h)中山站(2020.1.1—2020.6.1); i)和j)“雪龍”號(hào)(2018.10.30—2019.3.10)Fig.2.Number of visible satellites and PDOP of GPS and BDS.a) and b) Great Wall Station (2018.10.30—2019.3.10); c) and d) Great Wall Station (2020.1.1—2020.6.1); e) and f) Zhongshan Station (2018.10.30—2019.3.10); g) and h) Zhongshan Station (2020.1.1—2020.6.1); i) and j) Xuelong icebreaker (2018.10.30—2019.3.10).

在2020年上半年期間,長(zhǎng)城站BDS 和GPS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)均為6～14 顆,BDS 衛(wèi)星PDOP 值在0～2 之間,GPS 衛(wèi)星PDOP 值在0～5 之間,這表明BDS 衛(wèi)星分布狀況更好。中山站BDS 可見(jiàn)衛(wèi)星 數(shù)為9～20 顆且PDOP 值為1～2,GPS 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為9～14 顆且PDOP 值為1～4,這表明中山站BDS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)及PDOP 值均優(yōu)于GPS。由此可見(jiàn),隨著2020年北斗三號(hào)系統(tǒng)趨于完善,在各測(cè)站的衛(wèi)星可見(jiàn)及 PDOP 值狀況得到明顯改善,相比2018—2019年,BDS 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)增加了2～4 顆,PDOP 值也有明顯下降,并且優(yōu)于GPS 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)及PDOP 值。

3 信號(hào)質(zhì)量分析

信噪比反映了接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)的抗干擾能力,多路徑誤差則反映了測(cè)站周邊環(huán)境對(duì)接收機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)的影響,二者是信號(hào)質(zhì)量分析的重要指標(biāo)。表2 是對(duì)2018年10月30日至2019年3月10日各測(cè)站GPS-L1 C/A、BDS-B1I 頻段 多徑值均方根與信噪比平均值的統(tǒng)計(jì)分析,表3是對(duì)2020年1月1日至2020年6月1日各測(cè)站GPS-L1 C/A、BDS-B1I 頻段多徑值均方根與信噪比平均值的統(tǒng)計(jì)分析。

通過(guò)表2 和表3 可以看出,在信噪比方面,各測(cè)站GPS-L1 C/A 與BDS-B1I 頻段信號(hào)信噪比分別為44～47 dBHz、43～46 dBHz,二者十分接近,表明環(huán)南極地區(qū)GPS-L1 C/A 與BDS-B1I 頻段信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)。在多徑值方面,BDS 的MEO 衛(wèi)星多徑值與GPS 衛(wèi)星相當(dāng),均在0.3 m 左右。而B(niǎo)DS的GEO 和IGSO 衛(wèi)星由于在極區(qū)高度角較低,多徑值較大,最高達(dá)到0.75 m,這些衛(wèi)星有助于提高定位的可靠性。整體來(lái)看,BDS-B1I 頻段與GPS-L1 C/A 頻段信號(hào)質(zhì)量處于同一水平。

表2 各測(cè)站多徑值與信噪比統(tǒng)計(jì)分析(2018.10.30—2019.3.10)Table 2.Statistics of multipath and signal-to-noise ratio of each station (2018.10.30—2019.3.10)

進(jìn)一步分析可得,BDS 各軌道衛(wèi)星多徑值在環(huán)南極地區(qū)存在如下規(guī)律: GEO＞IGSO＞MEO; 各軌道衛(wèi)星信號(hào)信噪比則符合規(guī)律: GEO＜IGSO＜ MEO,這是由于不同軌道衛(wèi)星在環(huán)南極地區(qū)高度角不同導(dǎo)致的。同樣由于衛(wèi)星高度角的影響,GEO、IGSO 多徑值在各測(cè)站呈現(xiàn)如下規(guī)律: 長(zhǎng)城站＞中山站＞“雪龍”號(hào)。而“雪龍”號(hào)上獲得的BDS 各軌道衛(wèi)星多徑值和信噪比則未表現(xiàn)出明顯規(guī)律,這可能是因?yàn)椤把垺碧?hào)航線覆蓋赤道等低緯度地區(qū),而低緯地區(qū)的高軌衛(wèi)星高度角較高,導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)多徑值較小、信噪比較大。

4 定位精度分析

考慮到北斗三號(hào)衛(wèi)星在不斷發(fā)射中,衛(wèi)星服務(wù)狀態(tài)也在不斷更新,因此本節(jié)按時(shí)段劃分來(lái)進(jìn)行環(huán)南極地區(qū)的定位性能分析,分為2018年底至2019年初和2020年上半年兩個(gè)時(shí)段。

4.1 2018年底至2019年初的定位性能分析

對(duì)各測(cè)站GPS、BDS 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位,以GPS 雙頻精密單點(diǎn)定位結(jié)果為真值,得到2018年底至2019年初,各測(cè)站GPS、BDS 偽距單點(diǎn)定位在E、N、U 方向的誤差圖,如圖3 所示。

要注意的是,在2018.10.30—2019.3.10 期間,仍有12 顆北斗三號(hào)衛(wèi)星處于在軌測(cè)試或尚未發(fā)射狀態(tài)。從圖3 可以看出,BDS 定位誤差在2019年初發(fā)生了明顯的提升,這是得益于北斗三號(hào)衛(wèi)星的不斷發(fā)射以及從在軌測(cè)試轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)。GPS 和BDS 的偽距定位方式的U 方向定位誤差均明顯大于E 方向與N 方向,這是因?yàn)閁 方向衛(wèi)星圖形分布狀況較差。

表4 是2019年初各測(cè)站GPS、BDS 偽距單點(diǎn)定位結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析,考慮到BDS 衛(wèi)星狀態(tài)的可用性,因此在比較定位精度時(shí)重點(diǎn)分析2019年初觀測(cè)數(shù)據(jù)定位結(jié)果。如表4 所示,對(duì)于GPS,E、N 方向定位精度位于4 m 以?xún)?nèi),U 方向定位精度在10 m 以?xún)?nèi); 對(duì)于BDS,E、N 方向定位精度位于8 m以?xún)?nèi),U 方向定位精度在14 m 以?xún)?nèi),由于BDS-3衛(wèi)星尚未完全發(fā)射,此時(shí)GPS 偽距單點(diǎn)定位精度優(yōu)于BDS。對(duì)各測(cè)站之間定位精度進(jìn)行比較可得,對(duì)于GPS,中山站與長(zhǎng)城站定位精度接近,雪龍?zhí)柖ㄎ痪容^差,這是因?yàn)檠執(zhí)栜壽E處于動(dòng)態(tài)變化之中,而長(zhǎng)城站、中山站均為靜態(tài)定位; 對(duì)于 BDS,中山站定位精度最優(yōu),長(zhǎng)城站定位精度則相對(duì)較差,這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)城站可用衛(wèi)星數(shù)過(guò)少。

4.2 2020年上半年的定位性能分析

圖4 是2020年上半年各測(cè)站GPS、BDS 偽距單點(diǎn)定位在E、N、U 方向的誤差圖,可以看到,2020年上半年BDS 偽距單點(diǎn)定位在E、N、U 方向誤差明顯低于圖3 所示誤差,其變化范圍更小也更加穩(wěn)定,BDS 定位精度有了明顯提升,GPS 則保持了原有的定位精度。

表5 是2020年上半年各測(cè)站GPS、BDS 偽距單點(diǎn)定位結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析,通過(guò)表4 和表5 對(duì)比可得,隨著北斗三號(hào)系統(tǒng)逐步完善,長(zhǎng)城站與中山站在E、N、U 方向定位精度均達(dá)到了7 m 之內(nèi),完全滿(mǎn)足10 m 的設(shè)計(jì)要求。其中,2020年初的定位結(jié)果與2019年初相比,長(zhǎng)城站E、N、U方向精度提升50%,中山站E、N、U 方向提升5%。這主要是因?yàn)楸倍啡?hào)系統(tǒng)更多的MEO 組網(wǎng)衛(wèi)星改善了長(zhǎng)城站可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)較少的問(wèn)題,而中山站由于可以跟蹤到大量的GEO 和IGSO 衛(wèi)星,因此BDS 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)一直保持較為良好的狀態(tài),定位精度提升較小[25]。此外,南極地區(qū)的偽距單點(diǎn)定位精度在E、N、U 方向有如下規(guī)律: E＞N＞U,這主要與南極地區(qū)的導(dǎo)航衛(wèi)星空間分布有關(guān),東西方向的衛(wèi)星分布更好。

圖3 GPS 和BDS 的偽距單點(diǎn)定位在E、N、U 方向誤差(2018.10.30—2019.3.10).a)和b)長(zhǎng)城站; c)和d)中山站; e)和f)“雪龍”號(hào)Fig.3.The error of GPS and BDS standard point positioning at each station in the ENU direction (2018.10.30—2019.3.10).a) and b) Great Wall Station; c) and d) Zhongshan Station; e) and f) Xuelong icebreaker.

另外,由表5 可見(jiàn),GPS 的定位精度略高于BDS,這主要是由于北斗三號(hào)系統(tǒng)仍在建設(shè)之中。圖5 給出了單日內(nèi)的跟蹤站上GPS 和BDS可用衛(wèi)星數(shù)的變化特點(diǎn),可以看出,由于2020年初約8 顆BDS-3 衛(wèi)星處于在軌測(cè)試或星歷狀態(tài)為不可用,BDS 可用衛(wèi)星數(shù)變化不太穩(wěn)定,該時(shí)期的定位結(jié)果對(duì)BDS 最終的定位精度產(chǎn)生了不利影響。隨著北斗三號(hào)系統(tǒng)組網(wǎng)衛(wèi)星的增多,衛(wèi)星空間分布更加合理,可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)增多,在環(huán)南極等高緯度地區(qū)尤其是原本衛(wèi)星可見(jiàn)情況較差地區(qū)定位精度將會(huì)有更大的提高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用中國(guó)南極科學(xué)考察期間在長(zhǎng)城站、中山站及“雪龍”號(hào)航線采集的2018—2020年的GPS 和BDS 觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)兩系統(tǒng)在西南極、東南極和南大洋區(qū)域的定位性能進(jìn)行了全面對(duì)比分析,結(jié)論如下:

表4 各測(cè)站偽距單點(diǎn)定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析(2019.1.1—2019.3.10)Table 4.Statistics of standard point positioning results at each station (2019.1.1—2019.3.10)

圖4 GPS 和BDS 偽距單點(diǎn)定位誤差在E、N、U 方向誤差(2020.1.1—2020.6.1).a)和b)長(zhǎng)城站; c)和d)中山站Fig.4.The error of GPS and BDS standard point positioning (2020.1.1—2020.6.1).a) and b) Great Wall Station; c) and d) Zhongshan Station.

表5 各測(cè)站偽距單點(diǎn)定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析(2020.1.1—2020.6.1)Table 5.Statistics of standard point positioning results at each station (2020.1.1—2020.6.1)

(1) 在2018.10.30—2019.3.10 期間,環(huán)南極地區(qū)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)均可滿(mǎn)足定位要求,中山站的衛(wèi)星可見(jiàn)情況最佳,可達(dá)到 8～16 顆; 在 2020.1.1—2020.6.1 期間,隨著北斗三號(hào)系統(tǒng)的逐步完善,BDS在環(huán)南極地區(qū)的衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)及PDOP 優(yōu)于GPS。

(2) 環(huán)南極地區(qū)的BDS 多徑值在0.3 m 左右,信噪比在40 dBHz 以上; BDS-B1I 頻段與GPS-L1 C/A 頻段信號(hào)質(zhì)量處于同一水平; 由于衛(wèi)星高度角的不同,BDS 不同軌道衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量存在如下規(guī)律: GEO＜IGSO＜MEO。

圖5 GPS 與BDS 在一天之內(nèi)的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù).a) 2020年2月2日長(zhǎng)城站; b) 2020年1月23日中山站Fig.5.The number of available GPS and BDS satellites in one day.a) Great Wall Station on February 2,2020; b) Zhongshan Station on January 23,2020.

(3) 在2020.1.1—2020.6.1 期間,環(huán)南極地區(qū) BDS-3 偽距單點(diǎn)定位精度在7 m 以?xún)?nèi),北斗三號(hào)系統(tǒng)組網(wǎng)衛(wèi)星的不斷增多對(duì)環(huán)南極地區(qū)定位精度提升明顯,在原本可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)較少的長(zhǎng)城站,BDS 定位精度提升達(dá)到50%。

綜上所述,現(xiàn)階段BDS 在環(huán)南極地區(qū)的信號(hào)質(zhì)量與基本定位服務(wù)性能完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。隨著北斗三號(hào)系統(tǒng)的進(jìn)一步完善,其在高緯度地區(qū)的定位性能將繼續(xù)提升。

致謝感謝中國(guó)第35 次、36 次南極科學(xué)考察隊(duì)對(duì)數(shù)據(jù)采集工作的支持。