北斗全球試驗(yàn)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

何義磊，王志文，王潛心，毛 亞

(1.中國礦業(yè)大學(xué)國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222)

中國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分[1]。其建設(shè)歷程分為3個(gè)階段，2000年末，初步建成北斗導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(BDS-1)，向中國境內(nèi)提供服務(wù)；2012年末，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)(BDS-2)，能夠?yàn)閬喬貐^(qū)提供服務(wù)；計(jì)劃在2020年左右，實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)(BDS-3)，正式向全球用戶提供服務(wù)[2]。2015年3月30日，第一顆新一代的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的成功發(fā)射標(biāo)志著BDS由區(qū)域擴(kuò)展系統(tǒng)向全球組網(wǎng)的開始，截至2017年10月，已成功發(fā)射2顆IGSO和3顆MEO衛(wèi)星，其發(fā)射情況見表1[3]，2017年10月2日的C31—C34衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡如圖1所示。為了能夠提高與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性和互操作性，BDS-3在播發(fā)B1I(1 561.098 MHz)、B3I(1 269.520 MHz)信號基礎(chǔ)上增加了新的信號:B1C(1 575.42 MHz)、B2a(1 176.45 MHz)、B2b(1 207.14 MHz)[4]。

北斗新型試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射是為了驗(yàn)證新的衛(wèi)星信號、星間鏈路和不同衛(wèi)星平臺等新技術(shù)，其觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)全球化的進(jìn)程。已有諸多學(xué)者對BDS-2衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量評估，文獻(xiàn)[5]從多路徑效應(yīng)、信噪比等方面對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明BDS的精度略低于GPS；文獻(xiàn)[6]從可用性、完整性和定位精度對香港的偽距和載波相位實(shí)測觀測值進(jìn)行了質(zhì)量評估，結(jié)果顯示GEO衛(wèi)星的偽距觀測值多路徑和噪聲小于1.5 m，而IGSO和MEO衛(wèi)星更為明顯。但對BDS-3試驗(yàn)衛(wèi)星的研究還相對較少，特別是在較全面地對其觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估方面，文獻(xiàn)[2]從載噪比(C/N0)和偽距多路徑等方面對C32-C34的5種信號進(jìn)行了評估，結(jié)果表明BDS-3的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量同GPS L1/L2/L5和Galileo E1/E5a/E5b相當(dāng)。因此，本文從信噪比、數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)和電離層延遲等方面，全面系統(tǒng)地對BDS-3新型試驗(yàn)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，以方便對新型試驗(yàn)衛(wèi)星性能的評估。

表1 北斗三代試驗(yàn)衛(wèi)星狀態(tài)[3]

圖1 2017年10月2日北斗全球試驗(yàn)衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡

1 數(shù)據(jù)獲取

目前，由中國組建的國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)(International GNSS Monitoring & Assessment System,iGMAS)跟蹤網(wǎng)和少數(shù)多模GNSS實(shí)驗(yàn)(The Multi-GNSS Experiment,MGEX)跟蹤網(wǎng)可接收到BDS-3試驗(yàn)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，但絕大多數(shù)接收機(jī)只能接收BDS-3的B1和B3雙頻觀測數(shù)據(jù)，因此本文選取了2017年10月1日(年積日274)—10月21日(年積日294)的16個(gè)iGMAS跟蹤站和6個(gè)MGEX跟蹤站的多模GNSS觀測數(shù)據(jù)(測站分布如圖2所示)，使用中國礦業(yè)大學(xué)北斗數(shù)據(jù)處理與分析中心自主研發(fā)的多系統(tǒng)GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件[7]，基于GNSS雙頻觀測數(shù)據(jù)，從信噪比、數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)和電離層延遲等評估指標(biāo)對北斗新型試驗(yàn)衛(wèi)星B1和B3雙頻觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。為了直觀地對比分析，本文將上述衛(wèi)星分為8類：GPS(G01—G32)、GEO(C01—C05)、IGSO(C06—C10)、MEO(C11—C14)、C31、C32、C33和C34。通過與GPS和BDS-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行對比分析，得到新型試驗(yàn)衛(wèi)星的性能指標(biāo)和提升水平。

圖2 選用的iGMAS和MGEX測站分布

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)

2.1 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整性是衡量觀測數(shù)據(jù)的重要指標(biāo)，是指觀測時(shí)段中數(shù)據(jù)的可用性和完好性，不僅反映了觀測環(huán)境的影響程度，也體現(xiàn)了接收機(jī)性能的優(yōu)劣[8]。將數(shù)據(jù)完整性Int定義如下

(1)

式中，Have(i)為第i顆衛(wèi)星的完整觀測值數(shù)目；Expert(i)為第i顆衛(wèi)星理論觀測值數(shù)目。完整觀測值是指一顆星在一個(gè)歷元的觀測值具有P1或C/A碼數(shù)據(jù)、P2或C2碼數(shù)據(jù)、B1和B3載波相位數(shù)據(jù)[9-10]。

計(jì)算2017年年積日274—294的22個(gè)測站GPS和BDS的數(shù)據(jù)完整率，為了驗(yàn)證對B1I和B3I信號的接收情況，本文設(shè)置高度截止角為0，將衛(wèi)星按上述分類，對每個(gè)測站21 d的結(jié)果取平均值，如圖3所示。

圖3 各測站衛(wèi)星的數(shù)據(jù)完整率

從圖3可以看出，BDS試驗(yàn)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)完整性最大為100%，最小為89.34%，其中88.64%的IGSO試驗(yàn)衛(wèi)星(C31、C32)數(shù)據(jù)完整性大于95%，95.46%的MEO試驗(yàn)衛(wèi)星(C33、C34)數(shù)據(jù)完整性大于95%。數(shù)據(jù)完整性較差的現(xiàn)象集中在TONG、ABJA和ICUK測站，但3個(gè)測站的接收機(jī)和天線類型并不相同，可能是由于測站周圍環(huán)境影響所致。與同源站的BDS-2和GPS對比，BDS-3試驗(yàn)衛(wèi)星與同類型的BDS-2數(shù)據(jù)完整率相當(dāng)，且多數(shù)情況下略優(yōu)于BDS-2和GPS。

2.2 信噪比

信噪比(SNR)是接收機(jī)的載波信號強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，單位為dB-Hz。主要受衛(wèi)星發(fā)射設(shè)備增益、接收機(jī)中相關(guān)器的狀態(tài)、衛(wèi)星與接收機(jī)間的幾何距離，以及多路徑效應(yīng)等因素的共同影響，它不僅能反映接收機(jī)的性能，也能反映出衛(wèi)星信號質(zhì)量[8,11]。信噪比值越高，信號質(zhì)量越好，觀測精度越高。通?？梢詮挠^測文件中直接獲取每顆衛(wèi)星各個(gè)歷元的信噪比大小。

計(jì)算2017年年積日274—294的22個(gè)測站的GPS和BDS的信噪比，按上述衛(wèi)星分類，對每個(gè)測站21 d的結(jié)果取平均值，如圖4所示。由于篇幅有限，僅選取HMNS測站來表現(xiàn)試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)各類衛(wèi)星信噪比的變化情況，如圖6所示。其中SNR1和SNR3分別表示BDS B1和B3頻點(diǎn)的信噪比或GPS衛(wèi)星L1和L2頻點(diǎn)的信噪比。

圖4 各類衛(wèi)星的信噪比

圖5 各類衛(wèi)星的多路徑誤差

從圖4可以看出，試驗(yàn)衛(wèi)星的信噪比均值高于43 dB-Hz，C31、C32的信噪比較北斗工作IGSO衛(wèi)星信噪比有小幅增長，僅C31的B1頻點(diǎn)的信噪比略低于北斗工作IGSO衛(wèi)星。而C33、C34的信噪比較北斗工作MEO衛(wèi)星信噪比更高，說明這兩顆MEO試驗(yàn)衛(wèi)星載波觀測值噪聲更小，質(zhì)量更優(yōu)。可以看到GPS的SNR1明顯大于SNR3，而BDS是SNR3略大于SNR1。從圖6可以看出，HMNS測站觀測到的各類衛(wèi)星的SNR1和SNR3變化具有一致性，其中GEO和IGSO類型衛(wèi)星SNR較為恒定，而MEO衛(wèi)星SNR有明顯的周期性，周期約為7 d，并且更直觀地體現(xiàn)了C31—C34的SNR1和SNR3均優(yōu)于BDS-2工作衛(wèi)星。

圖6 HMNS測站年積日274—294的SNR1和SNR3

2.3 多路徑效應(yīng)

衛(wèi)星信號在傳播過程中受觀測環(huán)境的影響會產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，偽距的多路徑誤差最大可達(dá)0.5個(gè)碼元寬度，并且具有周期性和隨機(jī)噪聲的特性，無法與噪聲完全分開[9]，因此本文主要考慮偽距多路徑和噪聲的影響。雙頻的偽距觀測值多路徑效應(yīng)通?？梢酝ㄟ^偽距和載波相位觀測值的線性組合分別求得[8]。某顆衛(wèi)星某歷元的多路徑誤差可表示為[11-12]

(2)

式中，MP1和MP3分別表示B1/B3波段上的偽距和載波相位觀測值的多路徑效應(yīng)組合；Pi為偽距觀測值；λi為對應(yīng)頻率的波長；φi為載波相位觀測值；α=(f12/f32)，fi為載波相位觀測值的頻率；BPi包含了相位模糊度和頻間偏差。

本文采用移動平均值法[8]計(jì)算2017年年積日274—294的22個(gè)測站的GPS和BDS的偽距多路徑誤差，并計(jì)算其均方根RMS。按上述衛(wèi)星分類，對每個(gè)測站21 d的結(jié)果取平均值，將各個(gè)測站的多路徑誤差RMS取平均值繪制成圖5。選取HMNS測站來表現(xiàn)試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)各類衛(wèi)星多路徑誤差RMS的變化情況，如圖7所示。其中MP1-RMS和MP3-RMS分別表示BDS B1和B3頻點(diǎn)的多路徑誤差RMS或GPS衛(wèi)星L1和L2頻點(diǎn)的多路徑誤差RMS。

圖7 HMNS測站年積日274—294的MP1和MP3

從圖7可以看出，各類衛(wèi)星的RMS均值都在0.35 m以下，試驗(yàn)衛(wèi)星多路徑誤差RMS最大達(dá)0.770 m，MP1-RMS和MP3-RMS小于0.5 m的分別占88.64%和96.59%，大于0.5 m的現(xiàn)象集中在TONG、CLGY和ICUK測站，與數(shù)據(jù)完整性指標(biāo)反映相似，表明這些測站周圍環(huán)境較差。C31、C32的多路徑誤差與北斗工作IGSO衛(wèi)星精度相當(dāng)，而C33、C34的多路徑誤差較北斗工作MEO衛(wèi)星有明顯的減小，表明這兩顆MEO試驗(yàn)衛(wèi)星偽距觀測值質(zhì)量更優(yōu)?？梢钥吹紾PS的MP1-RMS略小于MP3-RMS，而BDS的MP1-RMS明顯大于MP3-RMS，表明GPS的L1頻點(diǎn)與BDS的B3頻點(diǎn)偽距觀測值質(zhì)量更佳，抑制多路徑效應(yīng)能力更強(qiáng)。HMNS測站觀測到的各類衛(wèi)星的MP1-RMS和MP3-RMS變化具有一致性，其中IGSO類型衛(wèi)星多路徑誤差較為穩(wěn)定，而MEO衛(wèi)星多路徑誤差有明顯的周期性，周期約為7 d。

2.4 電離層延遲及其變化率

電磁波在通過電離層時(shí)會受離子影響產(chǎn)生延遲，假設(shè)兩個(gè)頻率的載波在大氣中的傳播路徑是相同的，則兩個(gè)頻率的電離層延遲可表示為[13]

(3)

式中，Ii為電離層延遲誤差；Bi為載波相位觀測值，其他參數(shù)同上述相同。

以B3頻率為例，定義電離層延遲變化率為[14-15]

(4)

式中，tj為第j個(gè)歷元的觀測時(shí)刻。當(dāng)IOD(3)≥4 m/min時(shí)，認(rèn)為電離層發(fā)生跳變。

計(jì)算2017年年積日274—294的22個(gè)測站的GPS和BDS的電離層延遲變化率的均方根RMS，按上述衛(wèi)星分類，對每個(gè)測站21 d的結(jié)果取平均值繪制成圖8。選取GUA1測站來表現(xiàn)試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)各類衛(wèi)星電離層延遲變化率RMS的變化情況，如圖9所示。

圖8 各測站衛(wèi)星的電離層延遲RMS

圖9 GUA1測站年積日274—294的IOD-RMS

從圖8可以看出，C31—C34試驗(yàn)衛(wèi)星電離層延遲變化率的均方根RMS最大可達(dá)1.52 m/min，但97.73%的IOD-RMS小于0.30 m/min，與BDS-2工作衛(wèi)星位于同一量級水平，且略優(yōu)于BDS-2。從圖9可以看出，GPS衛(wèi)星的IOD-RMS明顯大于BDS各類型衛(wèi)星，其中年積日277、283、290、291和292有明顯的波動，可能是由于當(dāng)天電離層發(fā)生異常所致。

3 結(jié) 論

本文利用22個(gè)iGMAS觀測站和MGEX觀測站的多模GNSS觀測數(shù)據(jù)，從信噪比、數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)和電離層延遲4個(gè)評估指標(biāo)對我國北斗新型試驗(yàn)衛(wèi)星B1和B3雙頻觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，并與同源站GPS和BDS-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了對比分析：

(1) 88.64%的IGSO試驗(yàn)衛(wèi)星(C31、C32)數(shù)據(jù)完整性大于95%，95.46%的MEO試驗(yàn)衛(wèi)星(C33、C34)數(shù)據(jù)完整性大于95%，與BDS-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整率相當(dāng)。

(2) C31、C32的信噪比較北斗工作IGSO衛(wèi)星信噪比有小幅增長，僅C31的B1頻點(diǎn)的信噪比略低于北斗工作IGSO衛(wèi)星，而C33、C34的信噪比較北斗工作MEO衛(wèi)星信噪比更高。

(3) C31、C32的多路徑誤差與北斗工作IGSO衛(wèi)星精度相當(dāng)，而C33、C34的多路徑誤差較北斗工作MEO衛(wèi)星有明顯減小，說明其偽距觀測值質(zhì)量更優(yōu)。

(4) 電離層延遲方面，有97.73%的IOD-RMS小于0.30 m/min，與北斗二代工作衛(wèi)星處于同一量級水平，且略優(yōu)于北斗二代工作衛(wèi)星，優(yōu)于GPS衛(wèi)星的結(jié)果。

綜上所述，北斗三代試驗(yàn)衛(wèi)星性能有了進(jìn)一步提升，能夠滿足北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常的工作要求，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由區(qū)域系統(tǒng)向全球組網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。

致謝：感謝國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)(iGMAS)和國際GNSS服務(wù)組織(IGS)提供的數(shù)據(jù)。