北斗全球系統(tǒng)GEO衛(wèi)星SBAS信號(hào)質(zhì)量評(píng)估

蒲俊宇，李曉杰，郭睿，唐成盼，王夢(mèng)蘭

(1.32021部隊(duì)，北京100094；2.中國科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海200030)

1 引言

星基增強(qiáng)系統(tǒng)(satellite-based augmentation system,SBAS)是一種為高端導(dǎo)航用戶，特別是民航用戶提供的生命安全服務(wù)，其完好性、實(shí)時(shí)性、可靠性和精度指標(biāo)的要求均比基本導(dǎo)航更高[1－3]。中國將于2020年全面完成北斗三號(hào)組網(wǎng)建設(shè)，屆時(shí)也將為中國及其周邊地區(qū)提供星基增強(qiáng)服務(wù)[4]。中國的星基增強(qiáng)服務(wù)將遵循兼容互操作的原則，依據(jù)美國航空無線電委員會(huì)(radio technical commission for aeronautics,RTCA)制定的RTCA DO-229D標(biāo)準(zhǔn)[5]，以及國際互操作工作組(interoperability working group,IWG)制定的L5頻點(diǎn)雙頻多星座(dual frequency multi-constellation,DFMC)SBAS接口協(xié)議草案編排地球同步軌道(geosynchronous earth orbit,GEO)衛(wèi)星SBAS頻點(diǎn)的電文信息格式[6,7]。根據(jù)接口協(xié)議，GEO衛(wèi)星除了播發(fā)差分改正數(shù)和完好性信息以外，還將播發(fā)本星的軌道和鐘差信息。此外，值得注意的是，為實(shí)現(xiàn)兼容互操作，北斗三號(hào)GEO衛(wèi)星在頻點(diǎn)BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a的信號(hào)體制設(shè)計(jì)與美國全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)頻點(diǎn)L1CA和L5完全一致。因此，北斗三號(hào)GEO衛(wèi)星可聯(lián)合GPS系統(tǒng)中地球軌道(medium earth orbit,MEO)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)定位，且不會(huì)因跨導(dǎo)航系統(tǒng)而引入系統(tǒng)誤差，這將在一定程度上改善GPS星基增強(qiáng)用戶的位置精度因子(position dilution of precision,PDOP)。

需要說明的是，實(shí)現(xiàn)北斗三號(hào)GEO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的聯(lián)合增強(qiáng)定位需要從多角度進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，包括空間基準(zhǔn)、時(shí)間基準(zhǔn)、軌道產(chǎn)品、鐘差產(chǎn)品、硬件延遲等，而信號(hào)質(zhì)量是影響定位精度的基本和首要因素，本文將從數(shù)據(jù)完整率、載噪比和偽距多路徑誤差的角度，在中國華北、東北、東南、西南以及西北地區(qū)設(shè)立5個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)多模接收機(jī)測(cè)站，以2019年10月27日至2019年10月29日的北斗和GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)為樣本評(píng)估北斗三號(hào)GEO-1衛(wèi)星，即C59衛(wèi)星在頻點(diǎn)BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a上的信號(hào)質(zhì)量，并與GPS衛(wèi)星在頻點(diǎn)L1CA和L5上的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。

2 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率是衡量信號(hào)質(zhì)量的指標(biāo)之一，其主要用于反映觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完備性[8,9]。數(shù)據(jù)完整率是否達(dá)標(biāo)直接決定導(dǎo)航服務(wù)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)度，尤其對(duì)于星基增強(qiáng)這種高實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航業(yè)務(wù)來說，數(shù)據(jù)完整率顯得尤為重要。數(shù)據(jù)完整率主要受到衛(wèi)星和接收機(jī)狀態(tài)以及測(cè)站周邊環(huán)境的影響，可表示為：

其中，Nsati為用戶按照接收機(jī)收到的衛(wèi)星i理論數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，nsati為用戶收到的衛(wèi)星i實(shí)際數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，其中，華北和東南測(cè)站結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1和圖2中，藍(lán)色部分為GPS衛(wèi)星，紅色部分為北斗GEO-1衛(wèi)星。需要說明的是，在GPS系統(tǒng)中，只有BLOCK IIF,BLOCK III和未來新一代衛(wèi)星才能發(fā)播L5射頻信號(hào)。從圖1和圖2可看出，多模接收機(jī)目前只能接收到13顆GPS衛(wèi)星的L5觀測(cè)數(shù)據(jù)[10]。

表1 數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)表

圖1 華北測(cè)站數(shù)據(jù)完整率

圖2 東南測(cè)站數(shù)據(jù)完整率

如表1所示，在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點(diǎn)，GPS衛(wèi)星平均數(shù)據(jù)完整率為99.98%，北斗C59衛(wèi)星平均數(shù)據(jù)完整率為99.19%；在L5(BDSBAS-B2a)頻點(diǎn)，GPS衛(wèi)星平均數(shù)據(jù)完整率為99.50%，北斗C59衛(wèi)星平均數(shù)據(jù)完整率為99.19%。

因此，北斗C59衛(wèi)星在SBAS頻點(diǎn)上的平均數(shù)據(jù)完整率大于99%，與GPS衛(wèi)星對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)無明顯差距，基本滿足聯(lián)合增強(qiáng)定位和SBAS服務(wù)完好性、實(shí)時(shí)性的需求。

3 載噪比

載噪比是用于反映觀測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的指標(biāo)，其定義為載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲信號(hào)強(qiáng)度之比。載噪比主要受到天線增益狀態(tài)、接收機(jī)相關(guān)器件狀態(tài)以及信號(hào)傳播路徑狀態(tài)等的影響，是表征信號(hào)從衛(wèi)星端發(fā)射到用戶端接收過程信號(hào)增益和損耗的綜合品質(zhì)參數(shù)[11,12]。載噪比一般可從觀測(cè)數(shù)據(jù)文件中直接獲取。

本文選取4顆不同軌道面的健康的GPS衛(wèi)星G6,G10,G25,G32，與北斗C59衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)比，載噪比平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。我們還得到華北和東南測(cè)站的載噪比，如圖3和圖4所示。

表2 載噪比統(tǒng)計(jì)表

需要說明的是，本文試驗(yàn)所用接收機(jī)記錄的是原始載噪比量化后的值，量化單位為1 dBHz，具體量化規(guī)則為：0表示小于40 dBHz；1表示40～41 dBHz；2表示41～42 dBHz；……；30表示69～70 dBHz。

由圖3和圖4可知，在3 d的統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，4顆GPS衛(wèi)星出現(xiàn)了3個(gè)完整的可視弧段，其載噪比隨著衛(wèi)星仰角的升高而增加，載噪比變化具有明顯的周日特性；在3 d的統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，C59衛(wèi)星一直處于可視狀態(tài)，其載噪比處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間，僅在小范圍內(nèi)上下波動(dòng)。

對(duì)于4顆GPS衛(wèi)星，L1CA頻點(diǎn)載噪比量化均值為7.8，L5頻點(diǎn)載噪比量化均值為8.2，如表2所示；對(duì)于北斗C59衛(wèi)星，BDSBAS-B1C頻點(diǎn)載噪比量化均值為15.7，BDSBASB2a頻點(diǎn)載噪比量化均值為16.2。因此，在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點(diǎn)，北斗C59衛(wèi)星的載噪比要比GPS衛(wèi)星平均值高7.9 dBHz；在L5(BDSBAS-B2a)頻點(diǎn)，北斗C59衛(wèi)星的載噪比要比GPS衛(wèi)星平均值高8.0 dBHz。

圖3 華北測(cè)站載噪比

圖4 東南測(cè)站載噪比

4 多路徑效應(yīng)

從衛(wèi)星到接收機(jī)的傳播過程中，由于建筑物遮擋等原因?qū)Ш叫盘?hào)會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)與直射信號(hào)相互干涉疊加導(dǎo)致觀測(cè)失真，這種現(xiàn)象稱為多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)是GNSS定位的主要誤差源之一，與測(cè)站環(huán)境、衛(wèi)星高度角、衛(wèi)星性能、接收機(jī)天線性能等多種因素相關(guān)，且多路徑誤差與觀測(cè)噪聲耦合在一起，難以通過構(gòu)建誤差模型進(jìn)行削弱[13,14]。此外，多路徑誤差不具有空間相關(guān)性，也無法通過差分的手段進(jìn)行削弱。一般可利用多路徑組合法(multipath combination,MPC)提取偽距多路徑誤差[15]，該方法利用偽距觀測(cè)量和雙頻載波觀測(cè)量組合，消除幾何誤差和電離層誤差，從而實(shí)現(xiàn)偽距多路徑誤差提取。假設(shè)有A,B兩路頻點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，頻點(diǎn)A觀測(cè)數(shù)據(jù)多路徑誤差提取公式為：

其中，PA為頻點(diǎn)A偽距觀測(cè)量，φA為頻點(diǎn)A載波觀測(cè)量，λA為頻點(diǎn)A載波波長(zhǎng)，φB為頻點(diǎn)B載波觀測(cè)量，λB為頻點(diǎn)B載波波長(zhǎng)，α為A,B兩路頻點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)頻率平方之比，即，CA為頻點(diǎn)A中間序列，MPA為頻點(diǎn)A多路徑誤差序列。

頻點(diǎn)B觀測(cè)數(shù)據(jù)多路徑誤差提取公式為：

其中，PB為頻點(diǎn)B偽距觀測(cè)量，CB為頻點(diǎn)B中間序列，MPB為頻點(diǎn)B多路徑誤差序列。

本文選取4顆不同軌道面的健康的GPS衛(wèi)星G6,G10,G25,G32，與北斗C59衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)比，并得到多路徑誤差均方根值(RMS)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。我們還得到華北和東南測(cè)站的多路徑誤差，如圖5和圖6所示。

表3 多路徑誤差統(tǒng)計(jì)表

與載噪比類似，從圖5和圖6可看出在3 d的統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，4顆GPS衛(wèi)星出現(xiàn)了3個(gè)完整的可視弧段，其多路徑誤差在衛(wèi)星仰角較低時(shí)偏大，隨著仰角升高逐漸減小，多路徑誤差具有明顯的周日變化特性；還可看出在3 d的統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)C59衛(wèi)星一直處于可視狀態(tài)，其多路徑誤差也具有較明顯的周日變化特性。

圖5 華北測(cè)站多路徑誤差

圖6 東南測(cè)站多路徑誤差

如表3所示，對(duì)于4顆GPS衛(wèi)星，L1CA頻點(diǎn)多路徑誤差均方根平均為0.24 m，L5頻點(diǎn)多路徑誤差均方根平均為0.25 m；對(duì)于北斗C59衛(wèi)星，BDSBAS-B1C頻點(diǎn)多路徑誤差均方根平均為0.18 m，BDSBAS-B2a頻點(diǎn)多路徑誤差均方根平均為0.21 m。

因此，在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點(diǎn)，北斗C59衛(wèi)星的多路徑誤差比GPS衛(wèi)星平均值低0.06 m；在L5(BDSBAS-B2a)頻點(diǎn)，北斗C59衛(wèi)星的多路徑誤差比GPS衛(wèi)星平均值低0.04 m。

5 結(jié)論

為在中國及其周邊地區(qū)實(shí)現(xiàn)北斗三號(hào)GEO衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星無系統(tǒng)偏差的聯(lián)合增強(qiáng)定位，本文從數(shù)據(jù)完整率、載噪比以及偽距多路徑誤差三個(gè)角度對(duì)北斗三號(hào)GEO-1衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點(diǎn)和L5(BDSBAS-B2a)頻點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比分析，并得到以下結(jié)果。

1)北斗三號(hào)GEO-1衛(wèi)星在BDSBAS-B1C頻點(diǎn)和BDSBAS-B2a頻點(diǎn)上的平均數(shù)據(jù)完整率達(dá)到99%以上，與GPS衛(wèi)星對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)無明顯差距。

2)在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點(diǎn)，北斗三號(hào)GEO-1衛(wèi)星的載噪比要比4顆GPS衛(wèi)星平均值高出7.9 dBHz；在L5(BDSBAS-B2a)頻點(diǎn)，北斗三號(hào)GEO-1衛(wèi)星的載噪比要比4顆GPS衛(wèi)星平均值高出8.0 dBHz。

3)在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點(diǎn)，北斗三號(hào)GEO-1衛(wèi)星的多路徑誤差比4顆GPS衛(wèi)星平均值低0.06 m；在L5(BDSBAS-B2a)頻點(diǎn)，北斗三號(hào)GEO-1衛(wèi)星的多路徑誤差比4顆GPS衛(wèi)星平均值低0.04 m。

本文在中國境內(nèi)選取了均勻分布的5個(gè)GNSS多模接收機(jī)測(cè)站對(duì)北斗三號(hào)GEO衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星的SBAS信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明北斗三號(hào)GEO-1衛(wèi)星對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的載噪比明顯高于GPS衛(wèi)星，多路徑誤差略低于GPS衛(wèi)星，數(shù)據(jù)完整率水平與GPS衛(wèi)星基本一致，說明北斗三號(hào)GEO-1衛(wèi)星的SBAS信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)于GPS衛(wèi)星，因而可服務(wù)于BDSBAS系統(tǒng)GPS用戶。待星座部署完成后，我們將對(duì)其余北斗三號(hào)GEO衛(wèi)星進(jìn)行類似的評(píng)估，并對(duì)聯(lián)合增強(qiáng)定位所涉及的空間基準(zhǔn)、時(shí)間基準(zhǔn)、軌道產(chǎn)品、鐘差產(chǎn)品、硬件延遲等問題進(jìn)行詳細(xì)論證，最終完成聯(lián)合增強(qiáng)定位試驗(yàn)。