基于JXCORS基準站的北斗衛(wèi)星多路徑效應分析

左 娟袁鳳萍熊祖騰

（1.江西省基礎(chǔ)測繪院 江西南昌 330209；2.江西省測繪成果質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心 江西南昌330209）

1 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) （BDS）已于2012年12月27日正式開始運行，該系統(tǒng)由中國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，現(xiàn)已經(jīng)為我國多個領(lǐng)域和亞太地區(qū)多個國家提供導航及定位服務(wù)［1-2］。雖然北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已正式投入運行，但是針對北斗導航衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和分析的研究工作較少。尤其是對觀測中無法通過觀測和精確模型給予消除或削弱的多路徑誤差影響的研究。本文通過選取江西省衛(wèi)星導航定位服務(wù)系統(tǒng)（JXCORS）北斗升級之后某一基準站點實測觀測數(shù)據(jù)，通過對比分析北斗衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的多路徑效應的差異，總結(jié)多路徑誤差特性。

2 多路徑誤差的產(chǎn)生及數(shù)學模型

2.1 多路徑誤差的產(chǎn)生原理

導航衛(wèi)星信號在傳播過程中由于受環(huán)境因素的影響，使得本應該直接接收導航衛(wèi)星信號中包含有周圍環(huán)境造成的反射的衛(wèi)星信號，這種反射信號也將進入接收機的天線，對直射導航衛(wèi)星信號產(chǎn)生破壞性干涉并形成組合信號，導致接收信號的能量發(fā)生衰減且相位發(fā)生延遲，從而產(chǎn)生測距（定位）偏離真值甚至引起信號失鎖，構(gòu)成導航衛(wèi)星定位中的多路徑誤差［3-4］。

2.2 多路徑誤差計算的數(shù)學模型

通過雙頻偽距觀測值P1、P2及載波相位觀測值φ1、φ2， 多路徑延遲誤差 MP1，MP2可以聯(lián)合偽距及載波觀測值建立多路徑效應模型。MP1、MP2值越大，多路徑影響越嚴重。計算公式為［5-6］：

式中:P1、P2 分別為載波 L1、L2上的偽距觀測值；φ1、φ2分別為載波 L1、L2上的相位觀測值；λ1、λ2分別為載波 L1、L2上的波長；a=f21/f22， 其中 f1、f2分別為載波L1、L2上的頻率。

3 實驗分析

選擇JXCORS一基準站點在2017年10月27日（年積日300）所采集的GNSS觀測數(shù)據(jù)，觀測時段為24小時，采樣間隔15秒，數(shù)據(jù)記錄格式為RINEX（版本：3.02），接收機為 Trimble 的 NET R9，天線為Zephyr Geodetic 2。根據(jù)不同軌道衛(wèi)星的特點，統(tǒng)計分析北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)衛(wèi)星多路徑值的差異。

3.1 衛(wèi)星可見性分析

由于北斗系統(tǒng)（BDS）的衛(wèi)星星座不同于全部由中地球軌道衛(wèi)星（32MEO）組成的GPS導航系統(tǒng)。目前北斗系統(tǒng)組網(wǎng)的衛(wèi)星有14顆，分別由五顆地球靜止軌道衛(wèi)星 （5GEO）、五顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（5IGSO）和四顆中地球軌道衛(wèi)星（4MEO）三種不同軌道衛(wèi)星組成。圖1、圖2分別為站點上空的GPS和北斗系統(tǒng)衛(wèi)星天空視圖，可以看出北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)衛(wèi)星天空視圖存在明顯的差別。

圖1 站點衛(wèi)星天空視圖（GPS）

圖2 站點衛(wèi)星天空視圖（BDS）

3.2 不同類型的衛(wèi)星多路徑效應分析

由于GNSS接收機每天接收多顆導航衛(wèi)星的信號，且北斗導航衛(wèi)星的星座不同于GPS系統(tǒng)，在此限于篇幅按不同軌道選取其中一顆衛(wèi)星作為代表進行分析。北斗系統(tǒng)由地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中地球軌道衛(wèi)星組成，分別選取C1（GEO）、C6（IGSO）和 C13（MEO）號衛(wèi)星。GPS 系統(tǒng)全部由中地球軌道衛(wèi)星組成，所以只選取G32（MEO）號衛(wèi)星。下圖3至圖8為北斗C1、C6、C13號衛(wèi)星各L1、L2波段多路徑效應散點圖及高度角變化圖。圖9至圖10為GPS系統(tǒng)中G32號衛(wèi)星L1、L2波段多路徑效應散點圖及高度角變化圖。

圖3 C1號衛(wèi)星L1波段多路徑散點圖及高度角變化圖

圖4 C1號衛(wèi)星L2波段多路徑散點圖及高度角變化圖

圖5 C6號衛(wèi)星L1波段多路徑散點圖及高度角變化圖

圖6 C6號衛(wèi)星L2波段多路徑散點圖及高度角變化圖

圖7 C13號衛(wèi)星L1波段多路徑散點圖及高度角變化圖

圖8 C13號衛(wèi)星L2波段多路徑散點圖及高度角變化圖

圖9 G32號衛(wèi)星L1波段多路徑散點圖及高度角變化圖

圖10 G32號衛(wèi)星L2波段多路徑散點圖及高度角變化圖

從上圖可以看出，由于北斗衛(wèi)星星座不同于GPS系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)導航衛(wèi)星種類多于GPS衛(wèi)星；北斗系統(tǒng)中有地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，使得在我國及亞太地區(qū)可以接收到單顆衛(wèi)星更多的觀測數(shù)據(jù)，衛(wèi)星觀測效率更高；所有的導航衛(wèi)星中，多路徑的變化隨衛(wèi)星高度角的增大而變小，其中：北斗GEO衛(wèi)星為地球靜止軌道衛(wèi)星，衛(wèi)星高度角變化最小 （C1高度角變化范圍為 47.69°～50.49°），多路徑的離散也較小；其次是IGSO衛(wèi)星，衛(wèi)星高度角較小時，多路徑變化比較大，高度角達到一定閥值時，變化比較平穩(wěn)；最后，北斗的MEO和GPS的MEO衛(wèi)星多路徑的變化較大，均隨著衛(wèi)星的高度角的起伏而波動。

3.3 多路徑效應統(tǒng)計分析

通過對觀測文件的理論觀測歷元數(shù)與實際觀測到的歷元數(shù)比較，得到北斗系統(tǒng)有效觀測數(shù)據(jù)值達97.41%，GPS系統(tǒng)有效觀測數(shù)據(jù)值達97.88%，說明觀測環(huán)境良好。根據(jù)公式（1）和（2），在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)時間內(nèi)，按照15秒的采樣間隔，分別計算得到相應衛(wèi)星載波L1、L2上的多路徑值MP1、MP2，再通過公式（3）可以計算得到北斗系統(tǒng)L1、L2波段。多路徑均方根值 (RMS)分別為 0.3868m、0.3323m，GPS系統(tǒng)L1、L2波段多路徑均方根值(RMS)分別為0.3501m、0.4515m，兩個系統(tǒng)中L1波段多路徑效應相當、L2波段北斗系統(tǒng)更優(yōu)。為了更加直觀的比較北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)多路徑效應的總體情況，根據(jù)公式（3）統(tǒng)計所有的衛(wèi)星在L1、L2波段多路徑值MP1、MP2的均方根值(RMS)。

式中:σ 為多路徑均方根值 (RMS)，i=1，2，MP1、MP2分別為載波L1、L2上的多路徑計算值，n為根據(jù)觀測時間計算相應的MP值個數(shù)。

圖11 GPS衛(wèi)星信號多路徑誤差RMS統(tǒng)計圖

圖12 BDS衛(wèi)星信號多路徑誤差RMS統(tǒng)計圖

從圖11、圖12可以看出，GPS系統(tǒng)的MEO衛(wèi)星的多路徑分布整體較均勻，北斗系統(tǒng)中的MEO衛(wèi)星多路徑值較GPS多路徑值大，這也從側(cè)面說明GPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍優(yōu)于北斗系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)中的GEO、IGSO衛(wèi)星的多路徑值由于軌道的關(guān)系變化相對穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文通過實測采集數(shù)據(jù)中多路徑值的提取可以得出:北斗系統(tǒng)在接收數(shù)據(jù)完整性方面和GPS系統(tǒng)相當；北斗系統(tǒng)多路徑效應在L1波段和GPS系統(tǒng)相當，L2波段稍優(yōu)于GPS系統(tǒng)；北斗系統(tǒng)多路徑效應較GPS系統(tǒng)更離散，GPS比較均衡穩(wěn)定；北斗系統(tǒng)中的GEO衛(wèi)星，由于衛(wèi)星高度角變化較小，多路徑效應也最??；其次是IGSO衛(wèi)星，MEO衛(wèi)星的多路徑較大。