Galileo在軌驗(yàn)證衛(wèi)星的性能研究

宋玉石 ， 張 云 ， 袁國(guó)良

（1.上海海事大學(xué) 上海 201306；2.上海海洋大學(xué) 上海 201306）

Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由歐盟研發(fā)的面向民用領(lǐng)域的全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)，它能提供全球性、高精度、可靠性的導(dǎo)航定位服務(wù)，并且能與GPS系統(tǒng)、Glonass系統(tǒng)互操作。Galileo系統(tǒng)的空間部分由分布在3個(gè)橢圓形軌道上的30顆MEO（Medium Earth Orbit）衛(wèi)星組成，每個(gè)軌道上分布著 9顆工作衛(wèi)星和一顆備用衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道的平均高度約為23 222 km，軌道平面同地球赤道面的夾角約為56度，衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的軌道周期為14小時(shí)[1]，在Galileo系統(tǒng)星座部署完畢后，Galileo信號(hào)能夠?qū)暥?5度乃至更高的地區(qū)也能提供較好的覆蓋。

Galileo系統(tǒng)的建設(shè)分為4個(gè)階段。第一階段為伽利略系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，其中兩顆Galileo在軌驗(yàn)證元素衛(wèi)星GIOVE A、GIOVE B分別于 2005年 12月28日和 2008年 4月27日發(fā)射升空并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果；第二階段為在軌驗(yàn)證階段（In-Orbit Validation，IOV），首批兩顆 IOV 衛(wèi)星 E11、E12于2011年10月21日發(fā)射升空，另外兩顆IOV衛(wèi)星E19、E20于2012年10月12日發(fā)射，這四顆衛(wèi)星是Galileo星座的組成部分[2]；第三階段為初步運(yùn)行階段,在本階段運(yùn)行有18顆衛(wèi)星并能提供OS、SAR、PRS服務(wù)；第四階段為完全操作能力階段，本階段30顆衛(wèi)星部署完畢并提供全部五種服務(wù)。

文中通過(guò)分析實(shí)際接收到的IOV衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，從信噪比、多路徑誤差及定位精度3個(gè)方面對(duì)其性能進(jìn)行分析并用GPS系統(tǒng)作為對(duì)比。

1 數(shù)據(jù)采集

文中對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集使用的是Novatel公司生產(chǎn)的Flexpak6接收機(jī)和GNSS750天線，GNSS750天線支持對(duì)GPS L1、L2、L5 頻率，Galileo E1、E5a、E5b、E6 頻率的接收。 天線被安裝在上海海洋大學(xué)信息學(xué)院樓頂,參考坐標(biāo)是 [緯度30.888281374度，經(jīng)度 121.894303499度，高度 40.2541米]，由于上海地區(qū)每天能捕獲到的Galileo IOV衛(wèi)星的時(shí)間較短，因此采集了3天中全天24小時(shí)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集信息如表1中所示，Galileo IOV衛(wèi)星在3月15日的天頂視圖如圖1中所示。

表1 數(shù)據(jù)采集信息Tab.1 Data acquisition inform ation

圖1 Galileo IOV衛(wèi)星天頂視圖Fig.1 SkyPlot of Galileo IOV satellites

2 性能分析

2.1 信噪比

衛(wèi)星信號(hào)的信噪比（SNR）是指接收到的載波信號(hào)的強(qiáng)度與噪聲信號(hào)強(qiáng)度的比值，它能反映信號(hào)的質(zhì)量，通常接收機(jī)用來(lái)表示SNR[3]，單位為dB－Hz。此處選取了E11衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度分析并用G11衛(wèi)星作為對(duì)比，圖2縱坐標(biāo)為信噪比、橫坐標(biāo)為仰角。為具體分析從低仰角到高仰角變化時(shí)信號(hào)信噪比的特點(diǎn)，本文選取了兩顆衛(wèi)星在仰角跨度較大的第二天中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而且由于仰角跨度較大本文對(duì)仰角每隔一度采樣一次對(duì)應(yīng)仰角的信噪比。

如圖2中所示，E11衛(wèi)星的仰角跨度為9～70度，四路信號(hào)的信噪比跨度分別為 47～52 dB－Hz、43～52 dB－Hz、43～52 dB－Hz、39～49 dB－Hz， 當(dāng) E11 衛(wèi)星的仰角低于 60 度且在同一仰角時(shí)E1信號(hào)的信噪比始終最大，E5a、E5b的信噪比相當(dāng)而E5信號(hào)的最小，并且仰角越低信號(hào)間信噪比差距越大；當(dāng)仰角高于60度且在同一仰角時(shí)E1、E5a、E5b信號(hào)的信噪比相當(dāng)，在50～52 dB－Hz間波動(dòng)，而E5信號(hào)的信噪比要比前三者低3～4 dB－Hz。圖中G11衛(wèi)星的仰角跨度為6～88度，其 L1、L2 信號(hào)的信噪比跨度分別為 41～50 dB－Hz、32～48 dB－Hz，在相同仰角時(shí)L1信號(hào)的信噪比始終高于L2信號(hào)并且仰角越低信號(hào)間差值越大，仰角在80度附近時(shí)信噪比差值在 2 dB－Hz。

從上述分析可以看出在相同仰角時(shí)GalileoIOV衛(wèi)星中E1、E5a信號(hào)的信噪比要高于 GPS衛(wèi)星 L1、L2信號(hào)的信噪比，E5b信號(hào)的信噪比與L1信號(hào)的相當(dāng)，E5信號(hào)的信噪比要高于L2信號(hào)，由此可知Galileo IOV衛(wèi)星的信號(hào)總體強(qiáng)度要強(qiáng)于GPS信號(hào)。

2.2 多路徑誤差

衛(wèi)星信號(hào)的多路徑效應(yīng)指的是接收機(jī)天線除了接收到從衛(wèi)星反射后經(jīng)直線傳播到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)外還接收到由該直射信號(hào)經(jīng)周?chē)矬w反射后的信號(hào)，由多路徑效應(yīng)引起的測(cè)量誤差稱為多路徑誤差。由測(cè)量得知載波相位測(cè)量值的多路徑誤差要比偽距測(cè)量值的多路徑誤差低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，分別為厘米級(jí)和米級(jí)。隨著技術(shù)的發(fā)展偽距多路徑誤差已經(jīng)成為影響定位精度的主要誤差源之一，常用的計(jì)算多路徑誤差的雙頻模型如下[4－5]：

圖2 信號(hào)的信噪比與仰角的關(guān)系（左圖:E11，右圖:G11）Fig.2 The SNR of E11（Left），G11（Right）

式（1）模型適用于載波相位連續(xù)未發(fā)生周跳的情況并且之后要減去均值以去除整周模糊度及硬件延遲項(xiàng)[6]，由于上述模型只能處理雙頻數(shù)據(jù)，對(duì)Galileo四頻信號(hào)的多路徑誤差而言要計(jì)算兩次并且數(shù)據(jù)的利用率不高，下面給出了計(jì)算偽距多路徑誤差的四頻模型[7]：

假設(shè)接收機(jī)連續(xù)跟蹤未發(fā)生周跳，以E1信號(hào)多路徑誤差的計(jì)算為例，由式（2）－（3）得：

并將由 3（3）i=1－（3）i=2－（3）i=3－（3）i=4得到的關(guān)于 I1的關(guān)系式代入到（4）式（另外三路信號(hào)多路徑誤差的計(jì)算過(guò)程類(lèi)似）可得：

其中 ρi是偽距觀測(cè)值，Φi為相位觀測(cè)值，λi為信號(hào)的波長(zhǎng)，fi是信號(hào)的中心載頻，Mρi是信號(hào)的偽距多路徑誤差（=1，2，3，4），式（5）中

注意該計(jì)算模型適用于載波相位連續(xù)未發(fā)生周跳的情況并且之后要減去均值以去除整周模糊度及硬件延遲項(xiàng)。

文中分別采用式（5）、（1）計(jì)算 E11、G11衛(wèi)星的多路徑誤差，此處選取了衛(wèi)星仰角間隔在35～40度間的連續(xù)800個(gè)歷元的數(shù)據(jù)（如圖3所示），實(shí)心曲線表示此段時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星仰角的變化，實(shí)心點(diǎn)表示E1信號(hào)的多路徑誤差，‘米’字星表示E5a信號(hào)的多路徑誤差，空心圓表示E5b信號(hào)的多路徑誤差，空心五角星代表E5信號(hào)的多路徑誤差。

圖3 多路徑誤差（左圖:E11，右圖:G11）Fig.3 Multipath error of E11（Left），G11（Right）

表2 多路徑誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Statistical data ofmultipath error

從圖3中可以看出E11中E5信號(hào)波動(dòng)較平緩。表2給出了數(shù)據(jù)對(duì)比，E5信號(hào)的多路徑誤差最小，其RMS值（對(duì)各歷元的多路徑誤差求取均方根）在0.05米左右，而E1、E5a、E5b信號(hào)的多路徑誤差的RMS值約為E5信號(hào)的兩倍。G11衛(wèi)星兩路信號(hào)的RMS值分別為0.1496米、0.234 2米，比IOV衛(wèi)星的大，可見(jiàn)在同一仰角范圍內(nèi)IOV衛(wèi)星的多路徑誤差小于GPS。

2.3 定位精度

本文選用可視衛(wèi)星數(shù)及PDOP值[8]來(lái)評(píng)估Galileo/GPS組合系統(tǒng)的定位性能，并用相同條件下GPS系統(tǒng)的定位解算作為對(duì)比，此處選取第一天中03:30～05:00（LT:本地時(shí)間）間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，衛(wèi)星截止仰角設(shè)置為30度，在此時(shí)間跟蹤到E11、E12、E19三顆 IOV 衛(wèi)星。

圖4 定位精度（上圖），PDOP及可視衛(wèi)星數(shù)（左圖：組合系統(tǒng)，右圖：GPS）Fig.4 Accuracy of Positioning（top），PDOP and NVS（Left:combined，Right:GPS）

圖4（上圖）中給出了兩系統(tǒng)在截止仰角30度下水平方向和垂直方向的定位誤差，其中實(shí)心點(diǎn)表示Galileo/GPS組合系統(tǒng)，空心圓表示GPS系統(tǒng)。圖中在 03:30－03:54（LT）間GPS系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行有效定位解算，為深入的進(jìn)行分析，圖4（左圖）、（右圖）給出了兩系統(tǒng)的可視衛(wèi)星數(shù)及PDOP值，圖中空心圓表示PDOP值，實(shí)線為可視衛(wèi)星數(shù)。

從圖 4（右圖）中可以看出 03:30～03:54（LT）間只有三顆GPS衛(wèi)星，以致圖4（上圖）中GPS系統(tǒng)沒(méi)能進(jìn)行有效定位解算，而組合系統(tǒng)在此時(shí)間段中由于E11、E19衛(wèi)星的加入，使可視衛(wèi)星數(shù)達(dá)到了五顆從而進(jìn)行了有效定位解算。

表3 定位解算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比（截止仰角30度）Tab.3 Statistical data of positioning accuracy（Elevation M ask 30。 ）

表3給出了定位結(jié)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，Galileo衛(wèi)星的加入使有效定位解算歷元數(shù)從60.37%提高到99.63%，但由于03:30－03:54（LT）間組合系統(tǒng)的可視衛(wèi)星數(shù)僅為五顆左右使此段時(shí)間的定位誤差及PDOP值都較大，并增大了組合系統(tǒng)在整段時(shí)間內(nèi)定位誤差的RMS值 （用各歷元的定位結(jié)果減去基準(zhǔn)值，然后取均方根）和PDOP均值，而GPS系統(tǒng)在此段時(shí)間由于可視衛(wèi)星數(shù)不足四顆沒(méi)有進(jìn)行有效定位解算使表3中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不含這段時(shí)間，因此定位誤差及PDOP值比組合系統(tǒng)的小。從圖4（右圖）可以看出03:54－05:00間GPS系統(tǒng)的可視衛(wèi)星數(shù)多于四顆，對(duì)應(yīng)此段時(shí)間的PDOP值在4左右，而Galileo/GPS組合系統(tǒng)由于GalileoIOV衛(wèi)星的加入增加了可視衛(wèi)星數(shù)并改善了幾何分布，使組合系統(tǒng)的PDOP值小于4。

3 結(jié)束語(yǔ)

GalileoIOV衛(wèi)星信號(hào)的信噪比隨著仰角的增大而增大，并且衛(wèi)星信號(hào)的總體強(qiáng)度要強(qiáng)于GPS衛(wèi)星的信號(hào)。利用文中提出的處理四頻信號(hào)的多路徑誤差的計(jì)算模型可以看出在同一仰角范圍時(shí)E5信號(hào)的多路徑誤差遠(yuǎn)小于E1、E5a、E5b信號(hào)的多路徑誤差，并且Galileo IOV衛(wèi)星信號(hào)的多路徑誤差要小于G11衛(wèi)星信號(hào)的誤差。在單點(diǎn)定位精度方面，同GPS系統(tǒng)相比Galileo衛(wèi)星的加入增加了Galileo/GPS組合系統(tǒng)的可視衛(wèi)星數(shù)，并改善了其幾何分布，提高了定位精度。

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