基于北斗三號新頻點(diǎn)的多路徑誤差特性驗(yàn)證方法研究

戴凱陽 邵 搏 熊 帥 張 鍵 雷哲哲

1 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安市白沙路1號，710068

北斗系統(tǒng)在不斷發(fā)展與完善的同時也需要與國際接軌，得到國際社會的認(rèn)可。目前國際民航組織正在開展雙頻多星座(dual frequency and multi constellation，DFMC)星基增強(qiáng)系統(tǒng)(space based augmentation system，SBAS)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施(standard and recommended practices，SARPs)的制定工作，BDS作為被增強(qiáng)對象、北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system，BDSBAS)作為服務(wù)提供商均被寫入DFMC SBAS SARPs中[1-3]。在DFMC SBAS SARPs修訂過程中需要對其中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，其中北斗系統(tǒng)新頻點(diǎn)多路徑誤差特性驗(yàn)證工作是一個意義重大的議題。美國、歐洲已經(jīng)分別完成了GPS和Galileo系統(tǒng)的多路徑誤差特性驗(yàn)證工作[4-6]，北斗系統(tǒng)急需開展相關(guān)研究并形成工作文件。因此，開展北斗系統(tǒng)多路徑誤差特性的驗(yàn)證工作不僅可以彌補(bǔ)國內(nèi)在該方面研究的不足，而且可以助力北斗系統(tǒng)寫入國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)，為推動北斗系統(tǒng)走向國際邁出堅(jiān)實(shí)一步。

國際民航組織針對導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的多路徑誤差特性制定了相關(guān)規(guī)定，BDS多路徑誤差特性需要被JWGs/6提出的DFMC多路徑誤差模型[7]所包絡(luò)。另外，導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)數(shù)據(jù)所使用的接收機(jī)天線群延時需要滿足航空無線電技術(shù)委員會發(fā)布的DO-373標(biāo)準(zhǔn)[8]。因此，本文為了驗(yàn)證BDS多路徑誤差特性符合DFMC多路徑誤差模型的要求，首先利用符合DO-373天線群延時特性的天線接收BDS在B1c和B2a上的觀測數(shù)據(jù)；然后提出一種北斗三號新頻點(diǎn)的多路徑誤差特性驗(yàn)證方法，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪制多路徑誤差隨高度角的變化曲線；最后分析其與國際民航多路徑誤差模型的符合性。

1 天線群延時實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)測試的接收天線為NovAtel GNSS-750扼流圈天線，微波暗室實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E5071B)、標(biāo)準(zhǔn)天線(CR125B)和直流耦合器(Mini-Circuits ZFBT-4R2G-FT+)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接示意圖如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)天線與被測天線處于同一水平方向上。

圖1 微波實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接示意圖Fig.1 Test equipment connection diagram

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了得到NovAtel GNSS-750扼流圈天線在北斗三號新頻點(diǎn)(B1c和B2a)上的群延時參數(shù)，進(jìn)行天線群延時實(shí)驗(yàn)。測試步驟如下：

1)搭建測試環(huán)境，將NovAtel GNSS-750扼流圈天線通過直流耦合器與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口2連接，將標(biāo)準(zhǔn)天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1連接，并使2個天線正面法向?qū)R。

2)設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試頻點(diǎn)，在B1c頻點(diǎn)1 575.42 MHz(或B2a頻點(diǎn)1 176.45 MHz)校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

3)啟動直流電源，設(shè)置輸出電壓值為5 V。

4)將天線的高度角調(diào)整為0°，控制轉(zhuǎn)臺水平方向轉(zhuǎn)動1周，同時記錄矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在指定方位角Azi(0°、10°、20°、30°…、330°、340°、350°)的天線群延時值τ(Azi,Ele)，其中Azi為方位角，Ele為高度角。

5)控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動以使被測天線在高度角方向轉(zhuǎn)動5°，重復(fù)步驟4)，逐步增大高度角數(shù)值，直至完成垂直方向90°的測試，同時記錄指定高度角Ele(5°、10°、15°、20°、…、80°、85°、90°)的數(shù)據(jù)。

(1)

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2給出NovAtel GNSS-750扼流圈天線在B1c和B2a頻點(diǎn)的天線群延時方位圖，可以看出，各頻點(diǎn)的天線群延時主要跟高度角相關(guān)。

圖2 B1c和B2a頻點(diǎn)天線群延時方位圖Fig.2 Antenna group delay on B1c and B2a

圖3給出在B1c和B2a頻點(diǎn)的最大天線群延時隨高度角的變化曲線，圖中虛線為DO-373天線群延時要求包絡(luò)線，實(shí)線為實(shí)測各高度角對應(yīng)的最大天線群延時曲線?？梢钥闯觯琋ovAtel GNSS-750扼流圈天線各高度角最大天線群延時被要求曲線包絡(luò)，證明其在B1c和B2a頻點(diǎn)上的天線群延時特性符合DO-373的要求。

圖3 B1c和B2a頻點(diǎn)的最大天線群延時隨高度角變化曲線Fig.3 Maximum antenna group delay varies with elevation angles on B1c and B2a

2 多路徑誤差特性分析

利用NovAtel GNSS-750扼流圈天線采集原始觀測數(shù)據(jù)，在西安某單位樓頂架設(shè)接收機(jī)天線，接收機(jī)型號為Septentrio PolaRx5。采集2020-09-01～08的觀測數(shù)據(jù)，包括BDS B1c/B2a頻點(diǎn)以及GPS L1/L5頻點(diǎn)。

2.1 多路徑誤差特性分析基本原理

基于采集的BDS B1c/B2a和GPS L1/L5頻點(diǎn)上的偽距觀測量和載波相位觀測量，給出本文驗(yàn)證方法的具體實(shí)施步驟(圖4)。

圖4 多路徑誤差特性驗(yàn)證流程Fig.4 Verification flow chart of mutipath error characteristics

北斗三號監(jiān)測站采集到北斗三號衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文信息，其新頻點(diǎn)B1c、B2a基本觀測方程如下[9]：

ρB1c=r+c(dtu-dts)+T+

IB1c+MPρ,B1c+ερ,B1c

(2)

φB1c=r+c(dtu-dts)+T-IB1c+

NB1cλB1c+MPφ,B1c+εφ,B1c

(3)

ρB2a=r+c(dtu-dts)+T+

IB2a+MPρ,B2a+ερ,B2a

(4)

φB2a=r+c(dtu-dts)+T-IB2a+

NB2aλB2a+MPφ,B2a+εφ,B2a

(5)

式中，ρB1c和φB1c分別為B1c頻點(diǎn)偽距和載波相位觀測值，c為光速，dtu和dts分別為接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差，T為對流層延遲，IB1c為B1c頻點(diǎn)電離層延遲，MPρ,B1c和MPφ,B1c分別為B1c頻點(diǎn)偽距和載波相位上的多路徑誤差，ερ,B1c和εφ,B1c分別為B1c頻點(diǎn)偽距和載波相位上與接收機(jī)相關(guān)的噪聲誤差，NB1c為B1c頻點(diǎn)載波相位整周模糊度，λB1c為B1c頻點(diǎn)波長，ρB2a和φB2a分別為B2a頻點(diǎn)偽距和載波相位觀測值，IB2a為B2a頻點(diǎn)電離層延遲，MPρ,B2a和MPφ,B2a分別為B2a頻點(diǎn)偽距和載波相位上的多路徑誤差，ερ,B2a和εφ,B2a分別為B2a頻點(diǎn)偽距和載波相位上與接收機(jī)相關(guān)的噪聲誤差，NB2a為B2a頻點(diǎn)載波相位整周模糊度，λB2a為B2a頻點(diǎn)波長。

1)在φB1c和φB2a上進(jìn)行周跳探測和標(biāo)記，并剔除信噪比較低的數(shù)據(jù)。周跳探測主要使用無幾何距離組合(geometry-free，GF)周跳探測方法，檢測量b為：

b=φB1cλB1c-φB2aλB2a

(6)

對檢測量前后歷元作差，此處差值閾值設(shè)置為0.05 m，當(dāng)差值大于0.05 m時，則認(rèn)為當(dāng)前歷元發(fā)生周跳，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記。

剔除信噪比低的歷元觀測值，B1c頻點(diǎn)信噪比門限為29 dBHz，B2a頻點(diǎn)上信噪比門限為27 dBHz。

2)利用B1c和B2a頻點(diǎn)上的偽距觀測值和載波相位觀測值計(jì)算偽距與載波的差值(code minus carrier，CMC)。

針對單頻B1c或B2a頻點(diǎn)，利用雙頻載波觀測值消除單頻CMC數(shù)據(jù)中的電離層延遲：

CMCB1c=ρB1c-φB1c=2IB1c+MPρ,B1c+

ερ,B1c-MPφ,B1c-εφ,B1c-NB1cλB1c

(7)

CMCB2a=ρB2a-φB2a=2IB2a+MPρ,B2a+

ερ,B2a-MPφ,B2a-εφ,B2a-NB2aλB2a

(8)

(9)

(10)

CMCI_free,B1c=CMCB1c-2IB1c=

MPρ,B1c+ερ,B1c-NB1cλB1c

(11)

CMCI_free,B2a=CMCB2a-2IB2a=

MPρ,B2a+ερ,B2a-NB2aλB2a

(12)

式中，CMCB1c和CMCB2a分別為B1c和B2a頻點(diǎn)上的CMC，CMCI_free,B1c和CMCI_free,B2a分別為B1c和B2a頻點(diǎn)消除單頻電離層影響后的CMC值。因?yàn)閭尉嗌系亩嗦窂秸`差與噪聲遠(yuǎn)大于載波上的，因此式(7)和式(8)中-MPφ,B1c-εφ,B1c≈0和-MPφ,B2a-εφ,B2a≈0，式(11)和式(12)中-NB1cλB1c和-NB2aλB2a為常數(shù)。

雙頻組合計(jì)算方法為：

(13)

(14)

CMCI_free=ρI_free-φI_free

(15)

式中，ρI_free和φI_free分別為無電離層組合的偽距和載波相位觀測值，fB1c和fB2a分別為B1c和B2a頻點(diǎn)的頻率，CMCI_free為無電離層組合的CMC。

3)利用CMC數(shù)據(jù)的平均值來消除整周模糊度的影響，即消除步驟2)中的常數(shù)項(xiàng)。遇到步驟1)中探測出現(xiàn)的周跳標(biāo)記，則重啟該過程：

(16)

(17)

2.2 結(jié)果分析

按照上述方法對2020-09-01～09-08的BDS和GPS雙頻觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到B1c/L1、B2a/L5以及雙頻的多路徑誤差σMP&AGDV隨高度角變化曲線，如圖5～7所示。

圖5 BDS B1c和GPS L1頻點(diǎn)σMP&AGDV隨高度角變化曲線Fig.5 The curves of σMP&AGDV varies with elevation angles on BDS B1c and GPS L1

圖6 BDS B2a和GPS L5頻點(diǎn)σMP&AGDV隨高度角變化曲線Fig.6 The curves of σMP&AGDV varies with elevation angles on BDS B2a and GPS L5

圖7 BDS和GPS雙頻組合頻點(diǎn)σMP&AGDV隨高度角變化曲線Fig.7 The curves of σMP&AGDV varies with elevation angles on BDS and GPS dual-requency combination

從圖5～7可以看出：

1)基于2 d和8 d數(shù)據(jù)得到的BDS/GPS多路徑誤差曲線的變化趨勢幾乎保持一致，即多路徑誤差曲線的變化趨勢基本上不受天數(shù)影響。

2)BDS與GPS分別在B1c/L1、B2a/L5和雙頻組合情況下的多路徑誤差曲線的變化趨勢基本一致，即BDS與GPS多路徑誤差特性基本一致。

3)BDS在B1c、B2a以及雙頻組合情況下的多路徑誤差特性符合DFMC多路徑誤差模型的要求。

3 結(jié) 語

本文首先基于微波暗室實(shí)驗(yàn)分析了NovAtel GNSS-750天線的天線群延時特性，驗(yàn)證該天線的群延時特性符合DO-373的要求；然后提出一套可用于分析驗(yàn)證北斗三號新頻點(diǎn)多路徑誤差特性的方法，并給出明確的處理流程和實(shí)施步驟；最后基于此天線，進(jìn)行BDS和GPS原始雙頻觀測數(shù)據(jù)的采集和處理。結(jié)果表明，BDS的多路徑誤差特性與GPS基本一致，并且能夠滿足國際民航提出的DFMC多路徑誤差模型要求。本文能夠?yàn)楸倍废到y(tǒng)多路徑誤差特性分析提供理論依據(jù)和實(shí)施思路，并且為北斗系統(tǒng)寫入國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)增磚添瓦。

致謝：感謝歐洲D(zhuǎn)LR課題組提供參考資料。