BDS-3新衛(wèi)星對(duì)BDS-2短基線相對(duì)定位精度的影響分析

陳永健

1湖北煤炭地質(zhì)物探測(cè)量隊(duì)，湖北武漢，430200

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellitesystem，BDS）簡(jiǎn)稱(chēng)北斗系統(tǒng)，是根據(jù)我國(guó)基本國(guó)情自主設(shè)計(jì)建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施［1-3］。北斗系統(tǒng)建設(shè)與服務(wù)能力的不斷完善，不僅豐富了全球?qū)Ш脚c定位方式的多樣性，也為全球的發(fā)展與建設(shè)增添了新活力［4-8］。根據(jù)北斗系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略，北斗系統(tǒng)已經(jīng)完成北斗二號(hào)（BDS-2）的建設(shè)，目前正處于北斗三號(hào)（BDS-3）的建設(shè)，預(yù)計(jì)完整的北斗系統(tǒng)于2020年建設(shè)完成［9-11］。截至2018年底，我國(guó)共發(fā)射19顆BDS-3衛(wèi)星，其中18顆中高軌道衛(wèi)星（medium earth orbit，MEO）和1顆地球靜止軌道衛(wèi)星（geostationary earth orbit，GEO）。BDS-3新衛(wèi)星保留了BDS-2衛(wèi)星B1I和B3I信號(hào)頻率，同時(shí)增加了B1c、B2a和B2b這3個(gè)新頻率，其中B2b頻率與BDS-2衛(wèi)星B2I頻率一致，但調(diào)制類(lèi)型不同。BDS-3是在BDS-1、BDS-2基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，經(jīng)過(guò)一些專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)：BDS-3新衛(wèi)星的多徑效應(yīng)有明顯減弱，在未來(lái)將提供更為全方位的服務(wù)，除基本導(dǎo)航、通信服務(wù)外，還將在星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、國(guó)際搜救等方面提供全球的服務(wù)［12］。此外，在BDS-3新衛(wèi)星上搭載了新的國(guó)產(chǎn)氫原子鐘，新的國(guó)產(chǎn)原子鐘比BDS-2與BDS-1上搭載的原子鐘更加穩(wěn)定，經(jīng)部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)BDS-3新衛(wèi)星C31和C32與GPS基本一致，相比于BDS-2有了較大提升。而對(duì)于BDS-3新衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量以及定位性能進(jìn)行了初步評(píng)估，宋倩等［13］分析了BDS-3偽距測(cè)量誤差特性，發(fā)現(xiàn)BDS-3新衛(wèi)星偽距多路徑誤差有了較為明顯的改善，最大值在±1 m左右變化，與GPS衛(wèi)星特性類(lèi)似；程軍龍等［14］對(duì)BDS-3新衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量以及定位性能進(jìn)行了初步評(píng)估，發(fā)現(xiàn)BDS-3新衛(wèi)星的信噪比除B1I頻率高于BDS-2衛(wèi)星之外，其他基本一致，BDS-3新衛(wèi)星中不存在BDS-2衛(wèi)星中的系統(tǒng)偏差，BDS-3新衛(wèi)星的加入，有效的改善了BDS衛(wèi)星幾何分布結(jié)構(gòu)，提升了偽距單點(diǎn)定位與短基線相對(duì)定位精度；李國(guó)梁等［15］分析了BDS-3標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位精度，發(fā)現(xiàn)在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)，BDS-3的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，單系統(tǒng)定位精度優(yōu)于BDS-2的定位精度；尹志豪等［16］分析了BDS-3數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)BDS-3衛(wèi)星的信噪比優(yōu)于BDS-2衛(wèi)星信噪比，兼容頻率的信噪比也比GPS和Galileo高1～2 dB-Hz，BDS-3衛(wèi)星的B1C多路徑誤差大于GPS，信噪比高于Galileo，低于GPS，BDS-3的數(shù)據(jù)飽滿度與連續(xù)性優(yōu)于GPS和Galileo。

為進(jìn)一步分析BDS-3新衛(wèi)星對(duì)BDS-2定位精度的影響，本文基于2019年1月1日的IGS（International GNSS Service）連續(xù)跟蹤站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估了BDS-3新衛(wèi)星與BDS-2衛(wèi)星相同頻率（B1I、B3I、B2I/B2b）的數(shù)據(jù)質(zhì)量，分析了BDS-3新衛(wèi)星對(duì)BDS-2衛(wèi)星的B1I、B2I/B2b以及B3I不同組合頻率短基線相對(duì)定位精度的影響。

1 BDS-3 新衛(wèi)星簡(jiǎn)介

我國(guó)在發(fā)射BDS-3之前，在2015年與2016年先后試驗(yàn)了5顆BDS-3衛(wèi)星，2017年11月5日才發(fā)射第一顆BDS-3正式衛(wèi)星，這標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入BDS-3階 段的建 設(shè)，2018年 是我國(guó)BDS-3建 設(shè) 最 快的一年，先后共發(fā)射了19顆衛(wèi)星，其衛(wèi)星基本情況如表1所示。

表1 BDS‐3衛(wèi) 星 一 覽 表Tab.1 List of BDS-3

2 BDS-3 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

北斗定位的可靠性與準(zhǔn)確性很大程度上取決于北斗的數(shù)據(jù)質(zhì)量，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估是十分必要的。本文主要評(píng)估了BDS-2和BDS-3的信噪比以及多路徑均方根值（root mean square，RMS）情況。

2.1 信噪比

信噪比是衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度與觀測(cè)噪聲的比值，是反應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，信噪比越高，證明觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度越高，反之則越小，該值可以直接從觀測(cè)文件中獲取。

如圖1所示，B1I頻率BDS-2衛(wèi)星的信噪比主要在43 dB-Hz左右，BDS-3衛(wèi)星的信噪比主要在45 dB-Hz左 右；B2I/B2b頻率BDS-2衛(wèi) 星的信噪 比主要在45 dB-Hz左右，BDS-3衛(wèi)星的信噪比主要在46 dB-Hz左 右；B3I頻 率BDS-2衛(wèi) 星 的 信 噪 比 主 要在45 dB-Hz左右，BDS-3衛(wèi)星的信噪比主要在46 dB-Hz左右；綜上發(fā)現(xiàn)，B1I頻率、B2I/B2b頻率以及B3I頻率，BDS-2衛(wèi)星的信噪比整體情況要略低于BDS-3衛(wèi)星的信噪比。

圖1 BDS‐2與BDS‐3不同頻率信噪比Fig.1 Signal to Noise Ratio of BDS-2 and BDS-3 at Different Frequencies

2.2 多路徑

多路徑效應(yīng)是指接收機(jī)天線在接收到衛(wèi)星直接發(fā)射信號(hào)與經(jīng)過(guò)地物發(fā)射信號(hào)疊加所產(chǎn)生的延遲，是評(píng)估GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

如圖2所示，B1I頻率BDS-2各衛(wèi)星的多路徑RMS值主要在0.47 m左右，BDS-3各衛(wèi)星的多路徑RMS值主要在0.4 m左右；B2I/B2b頻率BDS-2各衛(wèi)星的多路徑RMS值主要在0.32 m左右，BDS-3各衛(wèi)星的多路徑RMS值主要在0.25 m左右；B3I頻率BDS-2各衛(wèi)星的多路徑RMS值主要在0.28 m左右，BDS-3各衛(wèi)星的RMS值主要在0.3 m左右。綜上所述，在B1I和B2I/B2b兩個(gè)頻率BDS-2衛(wèi)星的多路徑RMS值大于BDS-3衛(wèi)星的多路徑RMS值，而B(niǎo)3I頻率BDS-2多路徑RMS值要低于BDS-3多路徑RMS值。

圖2 BDS‐2與BDS‐3不同頻率多路徑RMS值Fig.2 BDS-2 and BDS-3 Multi-path RMS Values at Different Frequencies

2.3 BDS-3衛(wèi)星對(duì)BDS-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量影響

在分析BDS-3衛(wèi)星對(duì)BDS-2衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量影響時(shí)，先分析BDS-2所有衛(wèi)星各頻率的整體平均信噪比與多路徑RMS值，然后加入所有BDS-3衛(wèi)星的信噪比與多路徑RMS值，再分析加入BDS-3衛(wèi)星之后所有BDS衛(wèi)星各頻率的整體平均信噪比與多路徑RMS值，通過(guò)對(duì)比兩次的結(jié)果，分析出BDS-3衛(wèi)星對(duì)BDS-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

如圖3所示，BDS-3衛(wèi)星的加入，使BDS-2每個(gè)頻率的平均信噪比增加了1 dB-Hz，使BDS-2衛(wèi)星B1I頻率的多路徑RMS值降低了0.01 m，使B2I/B2b頻率的多路徑RMS值降低了0.03 m，使B3I頻率的多路徑RMS值增加了0.01 m。

圖3 BDS‐3衛(wèi)星對(duì)BDS‐2衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量影響Fig.3 Impact of BDS-3 Satellites on Data Quality of BDS-2 Satellites

3 BDS-3 對(duì)BDS-2 短基線相對(duì)定位精度影響

本文選取IGS連續(xù)跟蹤站的BURZ站與RHPT站，組成一條4.28 km的短基線，觀測(cè)時(shí)間為2019年1月1日與2日共2 d，數(shù)據(jù)采樣率為30 s，這兩個(gè)跟蹤站可以同時(shí)接收到BDS-2與BDS-3衛(wèi)星的B1I、B2I/B2b與B3I頻率。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先分析只有BDS-2衛(wèi)星參與計(jì)算的B1I/B2I組合、B1I/B3I組合與B1I/B2I/B3I組合3種組合情況的短基線相對(duì)定位三維誤差，由于B2I與B3I組合觀測(cè)噪聲較大，不適合定位，因此本文不作分析。然后分析B D S-3衛(wèi) 星 加 入 的B1I/B2I組 合、B1I/B3I組 合 與B1I/B2I/B3I組合此3種組合情況的短基線相對(duì)定位三維誤差。

如圖4所示，第一天的BDS-2短基線B1I/B2I組合相對(duì)定位水平方向誤差優(yōu)于6 cm，豎直方向誤差優(yōu)于16 cm；B1I/B3I組合相對(duì)定位水平方向誤差優(yōu)于6 cm，豎直方向誤差優(yōu)于15 cm；B1I/B2I/B3I組合相對(duì)定位水平方向誤差優(yōu)于6 cm，豎直方向誤差優(yōu)于14 cm。

圖4 第一天BDS‐2短基線相對(duì)定位三維誤差Fig.4 Three-Dimensional Error of the Relative Positioning of the BDS-2 Short Baseline on the First Day

如圖5所示，當(dāng)加入了BDS-3衛(wèi)星之后，不同頻率組合下的短基線相對(duì)定位三維誤差有所減小，B1I/B2I組合相對(duì)定位水平方向誤差優(yōu)于6 cm，豎直方向誤差優(yōu)于15 cm；B1I/B3I組合相對(duì)定位水平向誤差優(yōu)于6 cm，豎直方向誤差優(yōu)于12 cm；B1I/B2I/B3I組合相對(duì)定位水平方向誤差優(yōu)于4 cm，豎直方向誤差優(yōu)于12 cm。由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)BDS-3衛(wèi)星加入之后，B1I/B2I/B3I組合下短基線相對(duì)定位三維誤差改善效果最為明顯，而雙頻組合下豎直方向的誤差得到改善的效果最明顯。

圖5 第一天BDS‐2/BDS‐3短基線相對(duì)定位三維誤差Fig.5 Three-Dimensional Error of Relative Positioning of BDS-2/BDS-3 Short Baseline on the First Day

如圖6所示，第二天的BDS-2短基線B1I/B2I組合相對(duì)定位水平方向誤差優(yōu)于6 cm，豎直方向誤差優(yōu)于12 cm；B1I/B3I組合相對(duì)定位水平方向誤差優(yōu)于8 cm，豎直方向誤差優(yōu)于15 cm；B1I/B2I/B3I組合相對(duì)定位E方向誤差優(yōu)于4 cm，N方向誤差優(yōu)于6cm，豎直方向誤差優(yōu)于11 cm。

圖6 第二天BDS‐2短基線相對(duì)定位三維誤差Fig.6 Three-Dimensional Error of Relative Positioning BDS-2 Short Baseline on the Second Day

如圖7所示，當(dāng)加入了BDS-3衛(wèi)星之后，不同頻率組合下的短基線相對(duì)定位三維誤差有所減小，B1I/B2I組合相對(duì)定位水平方向誤差優(yōu)于6 cm，豎直方向誤差優(yōu)于12 cm；B1I/B3I組合相對(duì)定位水平方向誤差優(yōu)于6 cm，豎直方向誤差優(yōu)于14 cm；B1I/B2I/B3I組合相對(duì)定位水平方向誤差優(yōu)于4 cm，豎直方向誤差優(yōu)于8 cm?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)BDS-3衛(wèi)星加入之后，B1I/B2I/B3I組合下短基線相對(duì)定位三維誤差改善效果最為明顯，而雙頻組合下豎直方向的誤差得到改善的效果最明顯。

圖7 第二天BDS‐2/BDS‐3短基線相對(duì)定位三維誤差Fig.7 Three-Dimensional Error of the Relative Positioning of the BDS-2/BDS-3 Short Baseline on the Second Day

為進(jìn)一步分析BDS-3衛(wèi)星對(duì)BDS-2短基線相對(duì)定位精度的影響，統(tǒng)計(jì)只有BDS-2衛(wèi)星參與計(jì)算時(shí)3個(gè)方向RMS值以及加入BDS-3衛(wèi)星參與計(jì)算時(shí)3個(gè)方向RMS值，結(jié)果如表3所示。

表3 BDS2/BDS‐3短基線相對(duì)定位RMS值統(tǒng)計(jì)Tab.3 BDS2/BDS-3 Short Baseline Relative Positioning RMS Value Statistics

由表3可知，BDS-2不同頻率組合下短基線相對(duì)定位水平方向RMS值優(yōu)于2 cm，豎直方向RMS值優(yōu)于3 cm，當(dāng)加入BDS-3衛(wèi)星之后，不同組合水平方向與豎直方向RMS值得到了明顯的改善，其中三頻組合下的改善效果最為明顯，水平方向RMS值優(yōu)于1 cm，豎直方向RMS值優(yōu)于2 cm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于IGS連續(xù)跟蹤站組成的短基線，分析了BDS-2與BDS-3衛(wèi)星B1I、B2I/B2b和B3I的數(shù) 據(jù)質(zhì)量以及BDS-3衛(wèi)星對(duì)BDS-2短基線相對(duì)定位精度的影響，發(fā)現(xiàn)：

1）BDS-3衛(wèi)星整體的信噪比情況優(yōu)于BDS-2衛(wèi)星的信噪比，BDS-3衛(wèi)星的加入使BDS-2衛(wèi)星B1I、B2I以及B3I平均信噪比增加1 dB-Hz。BDS-3衛(wèi)星B1I和B2I頻率的多路徑效應(yīng)要小于BDS-2衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)，并且BDS-3新衛(wèi)星的加入使BDS-2衛(wèi)星整體的多路徑RMS值有所減小，而B(niǎo)DS-3衛(wèi)星加入使BDS-2衛(wèi)星B3I頻率的多路徑RMS值增加，原因需進(jìn)一步分析。

2）在進(jìn)行短基線相對(duì)定位時(shí)，BDS-3衛(wèi)星的加入使BDS-2短基線相對(duì)定位精度有了較明顯的提升，這是因?yàn)锽DS-3新衛(wèi)星的加入以及BDS衛(wèi)星數(shù)的增加，在不同頻率組合時(shí)，三頻組合時(shí)提升效果最為明顯，而豎直方向定位精度的優(yōu)于水平方向。其中E方向定位精度最大提升39%，N方向最大提升41%，U方向最大提升32%。

本文只分析部分BDS-3衛(wèi)星對(duì)BDS-2相同頻率數(shù)據(jù)質(zhì)量與短基線相對(duì)定位精度的影響，在我國(guó)BDS-3完成建設(shè)之后，需要全面對(duì)其定位性能進(jìn)行分析。