Galileo 多頻數(shù)據(jù)質(zhì)量及定位性能分析

賴 斌

（三明新基建產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，福建 三明 365001）

0.引言

在二十世紀(jì)末期，歐盟通過全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）在戰(zhàn)爭中的應(yīng)用充分認(rèn)識到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對于國家安全的重要性，因此決定建設(shè)屬于自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[1]。Galileo系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃分為兩步：第一步預(yù)計(jì)于2005年前建設(shè)完成歐洲地球同步衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)，第二步預(yù)計(jì)于2011年建成完全獨(dú)立的民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo Navigation satellite system,Galileo）[1-3]。Galileo系統(tǒng)的發(fā)展歷程比較艱辛，建設(shè)初期與美國進(jìn)行了長達(dá)四年的頻率之爭，之后又與我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生頻率之爭、與英國發(fā)生專利之爭，最終Galileo系統(tǒng)于2016年進(jìn)行了試運(yùn)行，于2019年具備完全運(yùn)行能力[1,4-6]。Galileo系統(tǒng)在建設(shè)完成之后，共計(jì)有30顆衛(wèi)星，其中正式衛(wèi)星24顆，備用衛(wèi)星6顆，但在運(yùn)行過程中發(fā)生過兩次故障，分別為2017年1月的原子鐘故障和2019年的服務(wù)中斷。Galileo系統(tǒng)與其他三個(gè)GNSS系統(tǒng)一樣，可以播發(fā)多頻信號，分別為E1頻率、E5a頻率、E5b頻率、E6頻率以及E5a+b頻率，其中E1頻率和E5a頻率與其他GNSS系統(tǒng)頻率兼容。Galileo作為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)之一，自運(yùn)行以來，其數(shù)據(jù)質(zhì)量以及定位性能備受關(guān)注。文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，初始運(yùn)行階段的Galileo雙頻標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位的水平精度優(yōu)于2m，垂向精度優(yōu)于4m，觀測實(shí)測達(dá)到24小時(shí)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位水平精度優(yōu)于1cm，垂直定位精度優(yōu)于3cm。文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，Galileo系統(tǒng)廣播星歷軌道誤差的均方根誤差切向在2m以內(nèi)、法向在1m以內(nèi)、徑向優(yōu)于0.5m，差均方根在3ns以內(nèi)，其標(biāo)準(zhǔn)定位性能三維定位精度較優(yōu)。文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，整體來說Galileo系統(tǒng)E5數(shù)據(jù)質(zhì)量最優(yōu)，其余信號數(shù)據(jù)質(zhì)量相當(dāng)，且略優(yōu)于BDS與GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量，其單頻偽距單點(diǎn)定位水平精度約為2.2m，與BDS、GPS定位精度相當(dāng)，但高程方向精度略差。文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，非組合模型下Galileo雙頻組合短基線相對定位精度優(yōu)于5cm，高程精度優(yōu)于10cm，而三頻組合定位精度較雙頻定位精度有非常明顯提示，水平和高程定位精度都優(yōu)于4cm。文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，Galileo系統(tǒng)E5a/E5b和E1/E6雙頻組合不適合進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位，三頻組合偽距單點(diǎn)定位精度較雙頻組合有所提示，水平定位精度優(yōu)于0.8m，高程方向定位精度優(yōu)于2.3m。文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，Galileo系統(tǒng)三頻非組合靜態(tài)與動態(tài)精密單點(diǎn)定位精度相比雙頻組合都有較大提升，對于單日解，靜態(tài)精密單點(diǎn)定位水平定位精度優(yōu)于1cm，高程精度優(yōu)于2cm，動態(tài)精密單點(diǎn)定位水平定位精度優(yōu)于5cm，高程精度優(yōu)于10cm。

1.Galileo 系統(tǒng)簡介

Galileo系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)、BDS系統(tǒng)一樣，由三部分組成：空間段即24顆衛(wèi)星、地面段即2個(gè)Galileo控制中心、用戶段即廣大Galileo系統(tǒng)用戶。Galileo系統(tǒng)的24顆正式工作衛(wèi)星和6顆備用衛(wèi)星均為中遠(yuǎn)地球軌道衛(wèi)星，衛(wèi)星空間運(yùn)行圖（如圖1所示），Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星可用性（如圖2所示）。通過圖2可知，在全天24小時(shí)觀測時(shí)段內(nèi)，可以保證每個(gè)時(shí)段都有Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星可用。當(dāng)前建設(shè)完成的Galileo各方面性能較優(yōu)，但其運(yùn)行期間出現(xiàn)的2次故障值得我國北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)借鑒，與此同時(shí)，為確保Galileo系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，歐盟在GNSS“地平線2020衛(wèi)星項(xiàng)目”的支持下，計(jì)劃于2024年發(fā)射第二代Galileo衛(wèi)星，開始第二代Galileo系統(tǒng)的建設(shè)與研發(fā)。第二代Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)與第一代相同，且保留了第一代Galileo系統(tǒng)所有服務(wù)功能，重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)新的服務(wù)能力，并且對衛(wèi)星軌道重新配置[1]。

圖1 Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星運(yùn)行圖

圖2 Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星可用性

2.Galileo 基本觀測方程

Galileo系統(tǒng)與其余GNSS系統(tǒng)一樣，通過偽距觀測值與載波相位觀測值實(shí)現(xiàn)定位，偽距與載波相位基本觀測方程如式（1）所示[1]：

3.數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量是影響定位性能穩(wěn)定性與可靠性的重要指標(biāo)，因此進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理前都要進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評估，評估GNSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)主要有衛(wèi)星狀況、信噪比、多路徑等，通常衛(wèi)星數(shù)少于4顆不能進(jìn)行定位，信噪比越大表明信號強(qiáng)度越大，多路徑越小表明信號受到干擾越少[3]。本文從衛(wèi)星可見數(shù)、信噪比以及多路徑三個(gè)方面對Galileo系統(tǒng)不同頻率數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估，衛(wèi)星可見數(shù)（如圖3所示），信噪比（如圖4所示），多路徑（如圖5所示）：

圖3 Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星可見數(shù)

圖4 Galileo系統(tǒng)不同頻率信噪比

圖5 Galileo系統(tǒng)不同頻率多路徑

Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星可見數(shù)在6—12顆之間變化，但只有個(gè)別歷元衛(wèi)星可見數(shù)才達(dá)到6顆和12顆，主要在7—10顆之間變化。

Galileo系統(tǒng)E1頻率信噪比隨著高度角增加而增加，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在56dBHz左右。E5a頻率信噪比隨著高度角增加而增加，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在63dBHz左右。E5b頻率信噪比隨著高度角增加而增加，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在63dBHz左右。E6頻率信噪比隨著高度角增加而增加，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在60dBHz左右。綜合各頻率信噪比可知，E5a頻率和E5b頻率信噪比最高，E6頻率信噪比次之，E1頻率信噪比最低。

Galileo系統(tǒng)E1頻率多路徑隨著高度角增加而減小，最后在0m左右趨于穩(wěn)定，整體在±4m以內(nèi)變化。Galileo系統(tǒng)E5a頻率多路徑隨著高度角增加而減小，最后在0m左右趨于穩(wěn)定，整體在±4m以內(nèi)變化。Galileo系統(tǒng)E5b頻率多路徑隨著高度角增加而減小，最后在0m左右趨于穩(wěn)定，整體在±3m以內(nèi)變化。Galileo系統(tǒng)E6頻率多路徑隨著高度角增加而減小，最后在0m左右趨于穩(wěn)定，整體在±5m以內(nèi)變化。進(jìn)一步計(jì)算得到每個(gè)頻率多路徑均方根值（RMS），E1頻率多路徑均方根值為0.496m，E5a頻率多路徑均方根值為0.477m，E5b頻率多路徑均方根為0.348m，E6頻率多路徑均方根為0.756m。綜合Galileo系統(tǒng)各頻率多路徑變化以及多路徑均方根值可知，E5b頻率多路徑最小，E5a頻率多路徑次之，然后是E1頻率，E6頻率多路徑最大。

4.單點(diǎn)定位精度分析

本文選取位于歐洲地區(qū)的POTS站實(shí)測數(shù)據(jù)作為解算數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2021年5月5日，采集時(shí)長為24h，數(shù)據(jù)采集間隔為30s，該站接收機(jī)類型為JAVAD TRE_3，天線類型為JAVRINGANT_G5T。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解算軟件為根據(jù)RTKLIB軟件進(jìn)行二次開發(fā)的軟件，星歷采用IGS發(fā)布的廣播星歷，各項(xiàng)誤差改正采用RTKLIB軟件自帶的誤差改正模型，對流層延遲改正采用Saastamoinen模型，參考坐標(biāo)為IGS中心發(fā)布的周解算坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)解算方案共分為3種，第一種數(shù)據(jù)解算方案：單頻數(shù)據(jù)解算，解算頻率為E1頻率、E5a頻率、E5b頻率以及E6頻率，電離層延遲采用Klobuchar模型改正；第二種數(shù)據(jù)解算方案：雙頻數(shù)據(jù)解算，解算頻率為E1E5a組合頻率、E5aE5b組合頻率、E1E5b組合頻率以及E1E6組合頻率，電離層延遲采用雙頻無電離層組合模型消除；第三種數(shù)據(jù)解算方案：雙頻數(shù)據(jù)解算，解算頻率為E1E5aE5b組合頻率以及E1E6E5b組合頻率，電離層延遲采用無電離層兩兩組合模型消除。

4.1.單頻單點(diǎn)定位精度分析

先將解算得到的Galileo系統(tǒng)E1頻率、E5a頻率、E5b頻率以及E6頻率單點(diǎn)定位結(jié)果與參考坐標(biāo)做差，得到各頻率單歷元單點(diǎn)定位誤差，然后根據(jù)單歷元定位誤差進(jìn)一步計(jì)算得到各頻率E方向、N方向、U方向定位精度即誤差均方根值（RMS）（如圖6所示）：

圖6 Galileo系統(tǒng)單頻單點(diǎn)定位精度

Galileo系統(tǒng)各頻率單頻單點(diǎn)定位精度略有不同，E1頻率單點(diǎn)定位E方向定位精度優(yōu)于0.5m，N方向定位精度優(yōu)于0.4m，U方向定位精度優(yōu)于1m。E5a頻率單點(diǎn)定位E方向定位精度優(yōu)于0.6m，N方向定位精度優(yōu)于0.4m，U方向定位精度優(yōu)于1.3m。E5b頻率單點(diǎn)定位E方向定位精度優(yōu)于0.5m，N方向定位精度優(yōu)于0.4m，U方向定位精度優(yōu)于1m。E6頻率單點(diǎn)定位E方向定位精度優(yōu)于1.1m，N方向定位精度優(yōu)于0.8m，U方向定位精度優(yōu)于1.9m。

4.2.雙頻組合單點(diǎn)定位精度分析

先將解算得到的Galileo系統(tǒng)E1E5a組合頻率、E5aE5b組合頻率、E1E5b組合頻率以及E1E6組合頻率單點(diǎn)定位結(jié)果與參考坐標(biāo)做差，得到各組合頻率單歷元單點(diǎn)定位誤差，然后根據(jù)單歷元定位誤差進(jìn)一步計(jì)算得到各組合頻率E方向、N方向、U方向定位精度即誤差均方根值（RMS）（如圖7所示）：

圖7 Galileo系統(tǒng)雙頻組合單點(diǎn)定位精度

Galileo系統(tǒng)各雙頻組合單點(diǎn)定位精度略有不同，E1E5a雙頻組合單點(diǎn)定位E方向定位精度優(yōu)于0.7m，N方向定位精度優(yōu)于0.7m，U方向定位精度優(yōu)于1.5m。E1E5b雙頻組合單點(diǎn)定位E方向定位精度優(yōu)于0.7m，N方向定位精度優(yōu)于0.7m，U方向定位精度優(yōu)于1.5m。E5aE5b雙頻組合單點(diǎn)定位E方向定位精度低于2m，N方向定位精度低于2m，U方向定位精度低于2m。E1E6雙頻組合單點(diǎn)定位E方向定位精度低于2m，N方向定位精度優(yōu)于1.6m，U方向定位精度低于2m。

4.3.三頻組合單點(diǎn)定位精度分析

先將解算得到的Galileo系統(tǒng)E1E5aE5b組合頻率以及E1E6E5b組合頻率單點(diǎn)定位結(jié)果與參考坐標(biāo)做差，得到各組合頻率單歷元單點(diǎn)定位誤差，然后根據(jù)單歷元定位誤差進(jìn)一步計(jì)算得到各組合頻率E方向、N方向、U方向定位精度即誤差均方根值（RMS）（如圖8所示）：

圖8 Galileo系統(tǒng)三頻組合單點(diǎn)定位精度

Galileo系統(tǒng)各2種三頻組合單點(diǎn)定位精度略有不同，E1E5aE5b組合頻率單點(diǎn)定位精度較優(yōu)，E方向定位精度優(yōu)于0.7m，N方向定位精度優(yōu)于0.7m，U方向定位精度優(yōu)于1.5m。E1E6E5b組合頻率單點(diǎn)定位精度略差，E方向定位精度低于2m，N方向定位精度優(yōu)于1.6m，U方向定位精度低于2m。

5.結(jié)束語

Galileo系統(tǒng)于2019年正式運(yùn)行，并且向全球用戶提供服務(wù)。為進(jìn)一步對Galileo系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量以及單點(diǎn)定位性能進(jìn)行分析，本文首先從衛(wèi)星可見數(shù)、信噪比以及多路徑3個(gè)方面評估了Galileo系統(tǒng)不同頻率數(shù)據(jù)質(zhì)量，然后對比分析了Galileo系統(tǒng)單頻、雙頻以及三頻單點(diǎn)定位精度，得到結(jié)論如下：

（1）在數(shù)據(jù)質(zhì)量方面，Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星可見數(shù)較優(yōu)，整體在7—10顆之內(nèi)變化，E5a頻率和E5b頻率信噪比最優(yōu)，比E6頻率信噪比高3dBHz，比E1頻率信噪比高7dBHz，E5b頻率多路徑最小，E6頻率多路徑最大。

（2）在單頻單點(diǎn)定位方面，E1頻率和E5b頻率單點(diǎn)定位精度最優(yōu)且相當(dāng)，水平定位精度優(yōu)于0.5m，高程定位精度優(yōu)于1m，其次為E5a頻率，E6頻率單點(diǎn)定位精度最低。

（3）在雙頻組合單點(diǎn)定位方面，E1E5a組合頻率與E1E5b組合頻率單點(diǎn)定位精度最優(yōu)且相當(dāng)，水平定位精度優(yōu)于1m，高程定位精度優(yōu)于1.5m，E1E6組合頻率和E5aE5b組合頻率單點(diǎn)定位精度較差，不適合進(jìn)行單點(diǎn)定位。

（3）在三頻組合單點(diǎn)定位方面，E1E5aE5b組合頻率單點(diǎn)定位精度優(yōu)于E1E6E5b組合頻率單點(diǎn)定位精度，水平定位精度優(yōu)于1m，高程定位精度優(yōu)于1.5m，E1E6E5b組合頻率單點(diǎn)定位精度較差，不適合進(jìn)行單點(diǎn)定位。

本文詳細(xì)評估Galileo系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量以及單點(diǎn)定位性能，但限于篇幅原因未進(jìn)一步對Galileo系統(tǒng)多頻精密單點(diǎn)定位以及相對定位性能進(jìn)行分析，因此本文計(jì)劃下一步對Galileo系統(tǒng)多頻精密單點(diǎn)定位以及相對定位性能進(jìn)行分析。