北半球高緯地區(qū)北斗三號定位性能分析

王勝騫，韓 琦，王 星，王洪龍，宋大鵬

（1.山東正元數(shù)字城市建設有限公司，山東 煙臺 264000）

北半球高緯地區(qū)即北緯60°以北的廣大區(qū)域，自然條件惡劣，常年被冰雪覆蓋，但存儲著非常豐富的自然資源[1-2]。隨著全球?qū)Ρ卑肭蚋呔暤貐^(qū)考察的加快，考察過程中位置與路線的確定、考察結(jié)果的可靠性是非常重要的，因此衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在北極考察中具有不可替代的作用[3-4]。我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）已完成了北斗二號（BDS-2）、北斗三號（BDS-3）的建設，可向全球提供高精度導航與定位服務。BDS-2衛(wèi)星主要分布在亞太地區(qū)，能對北半球高緯度大部分地區(qū)進行覆蓋，但不能提供連續(xù)可靠的定位；隨著BDS-3的完善，相信BDS可在北半球高緯地區(qū)實現(xiàn)高精度導航與定位[5]。BDS定位精度的可靠性與可行性很大程度上取決于其數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)質(zhì)量越好定位精度越高，反之定位精度越低甚至不能進行定位，因此在數(shù)據(jù)處理前進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析是十分必要的[6-7]。自BDS-3建設以來，很多學者對其數(shù)據(jù)進行了評估，如程軍龍[8]等對BDS-3觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和定位精度進行了初步評估，結(jié)果表明BDS-3的B3I頻率高于BDS-2，其他頻率相當，BDS-3的偽距B2a、B2b和B3I與BDS-2的B3I大小相當，B1I、B1C與B1I、B2I大小相當，BDS-3中沒有觀測到系統(tǒng)偏差，BDS-3的觀測噪聲與BDS-2相當，BDS-3衛(wèi)星的加入有效改善了衛(wèi)星幾何分布、偽距單點定位與短基線相對定位精度；李涌濤[9]等評估了BDS-3新信號B1C和B2a觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，結(jié)果表明B1C數(shù)據(jù)完整率大于B2a，B2a的多路徑誤差、偽距噪聲和載噪比優(yōu)于B1C，BDS-3的偽距噪聲大于GPS和Galileo，其數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、載噪比與GPS、Galileo相當；張楷時[10]等評估了BDS-3 MEO組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，定位性能優(yōu)良。

通過上述研究可知，對于北半球高緯地區(qū)BDS-3數(shù)據(jù)質(zhì)量的評估較少，因此本文以位于北半球高緯地區(qū)的跟蹤站實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從衛(wèi)星可見數(shù)、PDOP值、數(shù)據(jù)完整率、信噪比、多路徑等方面評估了BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并分析了3種情況下的偽距單點定位與精密單點定位精度。

1 衛(wèi)星可用性

本文選取位于北極地區(qū)的SOD3站連續(xù)7 d的實測數(shù)據(jù)，采樣頻率為30 s，接收機類型為JAVAD TRE_3 DELTA，天線類型為JAVRINGANT_DM，能同時接收BDS-2和BDS-3衛(wèi)星B1I、B2I（B2b）、B3I信號。BDS-3衛(wèi)星保留了BDS-2衛(wèi)星的B1I和B3I頻率，將BDS-2的B2I頻率改名為B2b，頻率不變，改變了調(diào)制類型。衛(wèi)星可用性是決定定位精度高低的基礎(chǔ)，主要包括衛(wèi)星可見數(shù)和PDOP值。本文對衛(wèi)星可見數(shù)和衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)進行了分析，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 衛(wèi)星可見數(shù)

由圖1可知，在觀測的前6 h，BDS-3的衛(wèi)星可見數(shù)少于BDS-2，隨后BDS-3的衛(wèi)星可見數(shù)多于BDS-2，BDS-2/BDS-3組合下衛(wèi)星可見數(shù)比BDS-2、BDS-3有明顯增加。由圖2可知，BDS-2的PDOP值很大，表明北半球高緯地區(qū)BDS-2衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)很差；BDS-3的PDOP值小于BDS-2，再結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn)，BDS-3的PDOP值隨著衛(wèi)星數(shù)量的減少明顯增加；而BDS-2/BDS-3組合下的PDOP值明顯小于BDS-2、BDS-3，表明BDS-2/BDS-3的衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)有了明顯改善。

圖2 PDOP值

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

數(shù)據(jù)質(zhì)量在很大程度上決定了定位精度的可靠性，因此在數(shù)據(jù)處理前進行數(shù)據(jù)質(zhì)量評估是十分必要的。常規(guī)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標包括數(shù)據(jù)完整率、信噪比、多路徑和周跳比等，本文從信噪比、多路徑兩個方面來評估北半球高緯地區(qū)BDS-3數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.1 信噪比

信噪比是信號觀測強度與觀測噪聲的比值，是表示觀測信號強度的主要指標。信噪比越大表明觀測信號強度越強，可直接從觀測文件中獲取。BDS-2和BDS-3各頻率的信噪比如圖3所示，可以看出，BDS-2和BDS-3的MEO衛(wèi)星信噪比變化趨勢相當，且在高度角變化過程中大于部分BDS-2衛(wèi)星信噪比。

圖3 信噪比

為了進一步對比分析BDS-2和BDS-3的信噪比，本文計算得到BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3各頻率的平均信噪比，結(jié)果如圖4所示，可以看出，BDS-3的平均信噪比最優(yōu)，BDS-2/BDS-3次之，BDS-2最差；B1I頻率BDS-2的平均信噪比為42.99 dB-Hz，BDS-3的平均信噪比為45.71 dB-Hz，BDS-2/BDS-3的平均信噪比為43.57 dB-Hz；B2I/B2b頻率BDS-2的平均信噪比為43.25 dB-Hz，BDS-3的平均信噪比為48.54 dB-Hz，BDS-2/BDS-3的平均信噪比為46.02 dB-Hz；B3I頻率BDS-2的平均信噪比為43.17 dB-Hz，BDS-3的平均信噪比為47.89 dB-Hz，BDS-2/BDS-3的平均信噪比為45.82 dB-Hz；B3I與B2I/B2b頻率的信噪比相當，優(yōu)于B1I頻率的信噪比。

圖4 平均信噪比

2.2 多路徑

多路徑是接收機接收到經(jīng)過地物反射的多種衛(wèi)星信號疊加而產(chǎn)生的延遲，也是評估數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要指標之一。BDS-2和BDS-3各頻率的多路徑結(jié)果如圖5所示，可以看出，BDS-2、BDS-3各頻率多路徑隨著高度角的增加而減小，3個頻率的多路徑均為3 m，但在BDS-3中沒有觀測到BDS-2中存在的系統(tǒng)偏差，這對于偽距單點定位精度的提升具有重要意義。

圖5 多路徑

本文進一步統(tǒng)計了BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3各頻率多路徑RMS值，如圖6所示，可以看出，BDS-3的多路徑RMS值最小，BDS-2/BDS-3次之，BDS-2最大；B1I、B2I/B2b、B3I的多路徑RMS值呈遞減趨勢；B1I頻率BDS-2的多路徑RMS值為0.59 m，BDS-3的多路徑RMS值為0.46 m，BDS-2/BDS-3的多路徑RMS值為0.53 m；B2I/B2b頻率BDS-2的多路徑RMS值為0.43 m，BDS-3的多路徑RMS值為0.26 m，BDS-2/BDS-3的多路徑RMS值為0.34 m；B3I頻率BDS-2的多路徑RMS值為0.35 m，BDS-3的多路徑RMS值為0.29 m，BDS-2/BDS-3的多路徑RMS值為0.31 m。

圖6 多路徑RMS值

3 定位性能分析

對于北半球高緯地區(qū)BDS的定位性能，本文主要分析了BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3三種情況下B1I、B2I/B2b、B3I頻率的偽距單點定位精度，B1I/B2I（B2b）、B1I/B3I、B2I（B2b）/B3I三種組合下的精密單點定位精度。

3.1 偽距單點定位

偽距單點定位是利用偽距觀測值，采用單臺GNSS接收機確定接收機絕對位置的測量方式，被廣泛應用于船舶車輛導航中。3種情況下的偽距單點定位精度如圖7所示，可以看出，在北半球高緯地區(qū)，BDS-2的B1I、B2I、B3I頻率偽距單點定位E方向和N方向的定位精度優(yōu)于4 m，U方向的定位精度約為6 m；BDS-3各頻率E方向和N方向的定位精度優(yōu)1 m，U方向的定位精度優(yōu)于2 m；BDS-2/BDS-3各頻率的定位精度優(yōu)于BDS-2、BDS-3，E方向和N方向的定位精度優(yōu)于0.5 m，U方向的定位精度優(yōu)于1.5 m；北極地區(qū)BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3三種情況下各頻率的偽距單點定位精度相當。

圖7 偽距單點定位精度

3.2 精密單點定位

在進行雙頻精密單點定位數(shù)據(jù)處理時，模型采用雙頻無組合電離層模型，精密星歷與鐘差采用武漢大學研發(fā)的對應產(chǎn)品，計算得到不同組合下的定位精度如圖8所示，可以看出，北半球高緯地區(qū)B1I/B2I（B2b）、B1I/B3I對應的相同衛(wèi)星系統(tǒng)精密單點定位精度相當，BDS-2衛(wèi)星E方向和N方向的定位精度約為10 cm，U方向的定位精度優(yōu)于30 cm；BDS-3衛(wèi)星E方向和N方向的定位精度優(yōu)于10 cm，U方向的定位精度優(yōu)于25 cm；BDS-2/BDS-3組合E方向和N方向的定位精度優(yōu)于6 cm，U方向定位精度優(yōu)于20 cm。相較于另外兩種組合，B2I（B2b）/B3I組合的精密單點定位精度略差，BDS-2衛(wèi)星E方向和N方向的定位精度約為20 cm，U方向的定位精度優(yōu)于40 cm；BDS-3衛(wèi)星E方向和N方向的定位精度約為10 cm，U方向的定位精度優(yōu)于30 cm；BDS-2/BDS-3組合E方向和N方向的定位精度優(yōu)于10 cm，U方向的定位精度優(yōu)于25 cm。

圖8 精密單點定位精度

4 結(jié)語

為詳細分析BDS-3在北半球高緯地區(qū)的定位情況，本文基于位于北半球高緯地區(qū)的SOD3站，評估了北半球高緯地區(qū)BDS-3數(shù)據(jù)的質(zhì)量，分析了北半球高緯地區(qū)BDS-3的偽距單點定位精度和精密單點定位精度，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：

1）北半球高緯地區(qū)BDS-3的衛(wèi)星可見數(shù)與衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)于BDS-2，而BDS-2/BDS-3組合可有效改善北半球高緯地區(qū)BDS的衛(wèi)星可見數(shù)和衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)。

2）在北半球高緯地區(qū)，BDS-3各頻率的平均信噪比約比BDS-2高5 dB-Hz。BDS-2/BDS-3組合的平均信噪比優(yōu)于BDS-2，小于BDS-3。各頻率對應衛(wèi)星的平均信噪比相當。BDS-2和BDS-3的多路徑在3 m以內(nèi)。BDS-3的多路徑RMS值最小，BDS-2/BDS-3次之，BDS-2最大。B1I、B2I/B2b、B3I的多路徑RMS值呈遞減趨勢，且BDS-3中沒有觀測到系統(tǒng)偏差。

3）在北半球高緯地區(qū)，BDS-2的偽距單點定位精度較差，BDS-3的偽距單點定位精度較優(yōu)，3個頻率E方向和N方向的定位精度優(yōu)于1 m，U方向的定位精度優(yōu)于2 m。BDS-2的雙頻組合精密單點定位精度較差，BDS-3的雙頻組合精密單點定位精度較優(yōu)，3種組合頻率E方向和N方向的定位精度優(yōu)于10 cm，U方向的定位精度優(yōu)于30 cm。BDS-2/BDS-3的偽距單點定位和精密單點定位精度均明顯優(yōu)于BDS-2和BDS-3。