新一代北斗试验卫星伪距质量初步评估

李金龙,唐 斌,郭海荣,何海波,许扬胤

(1.北京卫星导航中心,北京 100094;2.信息工程大学,郑州 450052)



新一代北斗试验卫星伪距质量初步评估

李金龙1,唐 斌1,郭海荣1,何海波1,许扬胤2

(1.北京卫星导航中心,北京 100094;2.信息工程大学,郑州 450052)

为验证北斗全球系统卫星新型导航信号体制、星间链路和高精度原子钟等关键技术,中国于2015年3月30日至2016年2月1日间发射了5颗新一代北斗试验卫星。试验卫星除了播发新的民用信号B1C和B2外,同时还播发B1I和B3I平稳过渡信号。试验卫星导航信号的伪距质量以及北斗现有工作卫星存在的与高度角相关伪距误差问题在新一代北斗卫星上是否得到解决是大家普遍关注的问题,将基于北斗试验卫星实测数据对此进行初步评估与验证。

北斗;试验卫星;多径误差;新信号

0 引言

按照北斗卫星导航系统“三步走”发展战略,2012年年底北斗系统已经形成区域服务能力,并计划在2020年前后,形成全球服务能力[1]。目前(2017年3月1日)北斗系统工作卫星由5颗GEO卫星(编号:1-5)、6颗IGSO卫星(编号:6-10、13)和3颗MEO卫星(编号:11、12、14)组成。其中,13号IGSO卫星为2016年3月30日发射的备份卫星,其交叉点经度为东经95°。自北斗系统2012年12月27日正式运行后,许多学者对北斗系统测距信号质量[2-6]、伪距单点定位精度[7]、载波相位差分定位性能[8-10]、精密单点定位性能[11]等进行了大量评估,比较全面地验证了北斗系统区域服务性能,然而也发现了北斗卫星信号的一些异常现象。Wanninger发现北斗IGSO和MEO卫星存在由卫星引起的与卫星仰角相关伪距误差现象[12],其对伪距单点定位性能影响有限,但对精密单点定位和长基线差分定位中模糊度固定存在严重影响[13-14]。目前通过建立改正模型,可显著削弱其影响,然而这个问题有望在新一代北斗全球系统卫星中得到彻底解决。

为验证北斗全球系统卫星新型导航信号体制、星间链路和高精度卫星钟等关键技术,中国于2015年3月30日(I1-S)、7月25日(M1-S和M2-S)、9月30日(I2-S)和2016年2月1日(M3-S)发射了5颗新一代北斗试验卫星。试验卫星除了播发新的民用信号B1C和B2外,同时还播发B1I和B3I平稳过渡信号[15]。试验卫星导航信号的伪距质量以及北斗现有工作卫星存在的与高度角相关伪距误差问题在新一代北斗试验卫星上是否得到解决是大家普遍关注的问题,本文将基于北斗试验卫星实测数据对此进行初步评估与验证。

1 北斗试验卫星信号及试验概况

新一代北斗试验卫星兼顾新信号体制和系统过渡的验证任务,除了播发全球系统新体制信号B1C和B2外,同时播发北斗平稳过渡信号B1I和B3I,表1给出了北斗试验卫星播发各导航信号的中心频率、调制方式和码速率等信息[15-16]。作为比对,表1中同时给出了与B1C和B2信号频率重叠的Galileo系统信号相关信息。

表1 北斗试验卫星信号概况

试验使用了成都国星多频试验验证终端和上海司南高精度测量型接收机M300(升级固件后可接收北斗试验卫星B1I和B3I信号)采集数据,2台接收机通过一分二功分器连接到深圳华信有限公司生产的高精度测量型天线,数据采集时间为2016年12月8日至14日共7天。试验数据采集期间,I1-S和M3-S由于未知原因未播发信号,故本次试验仅使用了I2-S、M1-S和M2-S这3颗试验卫星的数据。为了比对,试验还使用了MGEX地面跟踪网JFNG站的天宝NetR9接收机数据,数据采集时间为2016年10月26日至11月1日共7天。试验中,各接收机采样间隔均为30s,高度截止角均设为10°,各接收机接收信号和试验使用数据情况见表2,表中加粗信号为试验中使用数据。

表2 试验中使用接收机的信号覆盖情况

试验中多径观测值计算公式为

(1)

其中,Px为待评估信号x的伪距观测量,Lx、Lj和Lk分别为信号x、j和k上的载波相位观测量,λx、λj和λk为各信号的载波波长。计算B1I和B3I伪距多径观测值时,Lj和Lk分别为B1I和B3I载波相位观测量;计算新信号B1C(E1OS)和B2(E5)伪距多径观测值时,Lj和Lk分别为B1C(E1OS)和B2a(E5a)载波相位观测量。各信号伪距多径误差计算公式为

(2)

2 平稳过渡信号

为更好地对比试验卫星和北斗现有工作卫星B1I和B3I信号的多径误差特性,分别选取了与试验卫星I2-S、M1-S和M2-S星空轨迹类似的3颗北斗工作卫星C10、C12和C11作为参考,国星多频终端相应的多径误差序列见图1～图4,图5和图6为上海司南接收机多径误差序列。表3为国星多频终端B1I和B3I的伪距多径误差统计结果。

Tab.3 RMS values of B1I and B3I multipath error for GUOXING receiver m

注：最后一列仅为2颗MEO卫星数值的平均,未考虑第一列IGSO卫星数值

从图1～图4可知,北斗现有IGSO和MEO工作卫星B1I和B3I信号均存在明显的与卫星高度角相关伪距误差,在量级上,MEO卫星比IGSO卫星大,B1I信号比B3I信号大;而新一代北斗试验卫星B1I和B3I信号均未出现明显的类似现象,图5和图6中上海司南接收机伪距多径结果也进一步确认了这一结论。

从表3可知,新一代北斗试验卫星B1I、B3I信号的伪距多径误差RMS均优于现有北斗卫星相应信号,其中MEO卫星的B1I信号最明显。对于B1I信号,I2-S多径误差RMS相比C10改善约11.2%,M1-S、M2-S相比C12、C11分别改善约29.2%和40.4%,平均改善可达34.8%;对于B3I信号,I2-S多径误差RMS相比C10改善仅为1.0%,然而M1-S、M2-S相比C12、C11分别改善约19.5%和12.6%,平均改善也达到了16.1%。由于选择作为对照的北斗现有卫星与试验卫星星空轨迹类似且两类卫星接收机端处理过程相同,因此这些改善主要得益于新一代北斗试验卫星解决了现有卫星存在的与卫星高度角相关伪距误差问题。

3 新体制信号

图7～图10分别为国星多频终端北斗试验卫星I2-S、M1-S和M2-S新体制信号B1C、B2a、B2b以及B2a+b的伪距多径误差时间序列图和伪距多径误差随高度角变化图。作为对比,同时给出了JFNG站天宝NetR9接收机Galileo系统E08卫星E1OS、E5a、E5b和E5a+b信号的伪距多径误差图。表4为国星多频终端新体制信号B1C和B2的多径误差统计结果。

从图7～图9可知,北斗试验卫星B1C、B2a和B2b信号伪距多径误差也均未见明显的与高度角相关伪距误差现象。同时,对比北斗2颗MEO试验卫星M1-S、M2-S的伪距多径误差图与Galileo卫星E08的伪距多径误差图也未见明显差异。

Tab.4 RMS values of B1C and B2 multipath error for GUOXING receiver m

从图10可知,北斗试验卫星B2a+b信号伪距多径误差仍存在明显的系统性偏差,量级为几个厘米,且I2-S卫星更为明显。然而,由于仅使用了一种类型接收机一个地点的观测数据,因此这种系统性误差是否由卫星引起以及其规律是否与北斗现有卫星存在的与高度角相关伪距误差类似则还需更多的数据验证。

从表4可知,3颗北斗试验卫星B1C伪距多径误差RMS约为0.36m,B2a和B2b伪距多径误差RMS约为0.24m,B2a+b伪距多径误差RMS最小,仅为0.08m。

4 结论

北斗现有卫星B1I和B3I信号存在由卫星引起的与高度角相关伪距误差现象,而新一代北斗试验卫星B1I和B3I信号未出现明显的类似现象,由此可知新一代北斗试验卫星B1I和B3I信号的伪距质量优于现有北斗卫星相应信号。对于MEO卫星,B1I和B3I信号伪距多径误差RMS改善分别达到34.8%和16.1%;对于IGSO卫星,B1I信号伪距多径误差RMS改善也可达11.2%。

北斗试验卫星B1C、B2a和B2b信号也未见明显的与高度角相关伪距误差现象,虽然B2a+b信号伪距多径误差存在明显的系统性偏差,但量级仅为几个厘米。由于仅使用了一种类型接收机一个地点的观测数据,因此这种系统性误差是否由卫星引起,其规律是否与北斗现有卫星存在的与高度角相关伪距误差类似,还需更多的数据验证。

综合考虑3颗试验卫星结果,B1I和B3I伪距多径误差RMS分别约为0.29m和0.28m,B1C伪距多径误差RMS约为0.36m,B2a和B2b伪距多径误差RMS约为0.24m,B2a+b伪距多径误差RMS最小,仅为0.08m。

[1] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统运行与发展[C]//第七届中国卫星导航学术年会.长沙，2016.

[2] Montenbruck O, Hauschild A, Steigenberger P, et al.Initial assessment of the COMPASS/BeiDou-2 regional navigation satellite system[J].GPS Solutions, 2013, 17(2): 211-222.

[3] 程鹏飞, 李玮, 秘金钟.北斗导航卫星系统测距信号的精度分析[J].测绘学报, 2012, 41(5)：690-695, 708.

[4] Shi C, Zhao Q, Hu Z, et al.Precise relative positioning using real tracking data from COMPASS GEO and IGSO satellites[J].GPS Solutions, 2013, 17(1): 103-119.

[5] Wang G, Jong K, Zhao Q, et al.Multipath analysis of code measurements for BeiDou geostationary satellites[J].GPS Solutions, 2015, 19(1): 129-139.

[6] Ye S, Chen D, Liu Y, et al.Carrier phase multipath mitigation for BeiDou navigation satellite system[J].GPS Solutions, 2015, 19(4): 545-557.

[7] Yang Y, Li J, Wang A, et al.Preliminary assessment of the navigation and positioning performance of BeiDou regional navigation satellite system[J].Science China: Earth Sciences, 2014, 57(1): 144-152.

[8] Li J, Yang Y, Xu J, et al.Performance analysis of single-epoch dual-frequency RTK by BeiDou navigation satellite system[C]//Proceedings of the China Satellite Navigation Conference (CSNC)Lecture Notes in Electrical Engineering Springer-Verlag.Berlin, 2013：133-143.

[9] He H, Li J, Yang Y, et al.Performance assessment of single- and dual-frequency BeiDou/GPS single-epoch kinematic positioning[J].GPS Solutions, 2014, 18(3): 393-403.

[10] 李金龙.北斗/GPS多频实时精密定位理论与算法[D].郑州：中国人民解放军信息工程大学, 2014.

[11] Guo F, Zhang X, Wang J, et al.Modeling and assessment of triple-frequency BDS precise point positioning[J].Journal of Geodesy, 2016, 90(11): 1223-1235.

[12] Wanninger L, Beer S.BeiDou satellite-induced code pseudorange variations: diagnosis and therapy[J].GPS Solutions, 2015, 19(4): 639-648.

[13] Zhang X, He X, Liu W.Characteristics of systematic errors in the BDS Hatch-Melbourne-Wübbena combination and its influence on wide-lane ambiguity resolution[J].GPS Solutions, 2017, 21(1): 265-277.

[14] Geng T, Xie X, Zhao Q, et al.Improving BDS integer ambiguity resolution using satellite-induced code bias correction for precise orbit determination[J].GPS Solutions,2017:1-11.

[15] Xiao W, Liu W, Sun G.Modernization milestone: BeiDou M2-S initial signal analysis[J].GPS Solutions, 2016, 20(1): 125-133.

[16] China Satellite Navigation Office.BeiDou (COMPASS) Navigation Satellite System Development[C]//Munich Satellite Navigation Summit 2010.Munich, 2010.

Evaluation on the Pseudorange Quality of New-generation BDS Experimental Satellites

LI Jin-long1, TANG Bin1, GUO Hai-rong1, HE Hai-bo1, XU Yang-yin2

(1. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China;2. Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China)

In order to carry out the demonstration of new type of navigation signal, inter-satellite link and high precision atomic clock, five new-generation BDS experimental satellites have been launched between March 30, 2015 and February 1, 2016. BDS experimental satellites also transmit legacy B1I and B3I signals besides the new civil B1C and B2 signals. The pseudorange quality of experimental satellites and whether the satellite-induced pseudorange variation existing in the current BDS satellites still exists are in urgent need of evaluation and validation, which are addressed based on the real data of BDS experimental satellites.

BDS; Experimental satellite; Multipath error; New signal

2017-03-15；

2017-04-28

国家自然科学基金(41020144004，41374019，41474015)；国家“863”项目(2013AA122501)。

李金龙(1986-)，男，博士，工程师，主要从事GNSS高精度定位算法研究。E-mail:along0730@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.010

P228

A

2095-8110(2017)04-0066-08