伽利略卫星导航系统信号质量及定位性能分析

周星宇,陈华,安向东

(1.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心,湖北 武汉 430079；2.武汉大学 测绘学院,湖北 武汉 430079)

0　引　言

伽利略(Galileo)是欧盟针对民用建设的全球卫星导航系统,星座设计包括24颗运行卫星和6颗备用卫星,平均轨道面高度23 222 km,运行周期为14 h,均匀分布在3个轨道面,轨道平面与地球赤道夹角为56°,轨道重复周期为10天,可在全球范围内提供可靠的高精度导航、定位和授时服务,并可实现与GPS等系统的互操作[1]。截止2016年12月15日,在轨运行18颗卫星,欧盟宣称已初步具备全球定位能力[2]。

信号质量和定位性能等是衡量全球卫星导航系统(GNSS)服务质量的重要指标。尽管Galileo是新发展的卫星导航系统,但已有许多学者开展了相关研究,并取得了一些成果[3-14]。但是,大部分研究进行时系统未提供全球服务,采用的观测数据较少,且研究多基于双频数据。本文利用最新的观测数据,对Galileo的载噪比、伪距多路径误差及双/三频的精密单点定位(PPP)精度进行了研究。

1　分析方法

1.1　载噪比

卫星信号的载噪比(CNR)是度量卫星信号质量可靠性的一个重要指标,指接收机输入端的已调制的载波信号平均功率与载波噪声平均功率的比值,载噪比越大可以反映信号的通信质量越好[15]。载噪比表达式如下:

C/N0=10lg(C/kTB),

(1)

式中:C为信号强度(dB);N0为不包含接收机本身影响的噪声强度;k为玻尔兹曼常数;T为温度；B为等效噪声带宽。载噪比由观测文件得到,单位为dBHz.

1.2　伪距多路径误差

联系人: 周星宇 E-mail: zhouxygps@whu.edu.cn

卫星信号的多路径误差是指测站附近反射物反射的卫星信号进入天线后与直接来自卫星的信号产生干涉,从而使观测值偏离真值。常用的计算多路径延迟的模型如下[16]:

(2)

式中：P1/P2和Φ1/Φ2为两个频率上的伪距和以周为单位的载波相位观测值;MP1和MP2为伪距多路径误差;f1和f2为载波的频率;NP1和NP2为两个组合中的模糊度参数。通常,在连续观测无周跳的情况下组合模糊度不变,因此对其多个历元取平均作为真值,代入式(2)即可得到两个频率上的伪距多路径误差。

1.3　精密单点定位方程

本文采用双/三频无电离层组合观测值进行精密单点定位,方程为

(3)

式中:P12和P13分别为第1、2频率和第1、3频率的伪距无电离层组合观测值;Φ12和Φ13分别为以周为单位的第1、2频率和第1、3频率载波相位无电离层组合观测值;λ12和λ13分别为第1、2频率和第1、3频率无电离层组合波长;ρ为卫星与接收机间几何距离;c为光速;dts为卫星钟差参数;dtr为接收机钟差参数;T为对流层延迟参数;ε(P12)和ε(P13)分别为第1、2频率和第1、3频率伪距观测噪声；B12和B13分别为第1、2频率和第1、3频率无电离层组合模糊度；δds和δdr分别为第1、3频率相对于第1、2频率卫星端和接收机端的无电离层组合伪距频间偏差;ε(Φ12)和ε(Φ13)分别为第1、2频率和第1、3频率相位观测值的观测噪声。其中,接收机端和卫星端相位频间偏差在毫米级,对厘米级定位结果影响不大,此处忽略[17];δdr、δds在一天之内作为常数进行估计,且为避免法方程秩亏,估计δds附加零均值条件约束。

2　数据来源

随着GNSS的快速发展,为了分析多系统特性,促进多系统融合精密数据处理技术的发展,国际GNSS服务(IGS)开始着手建立能够跟踪和接收所有可用GNSS卫星信号(包括GPS、GLONASS、Galileo、北斗等卫星导航系统)的基准站网MGEX(Multi-GNSSExperiment)。基于MGEX,IGS会适时发布Galileo轨道和钟差产品。以2017年年积日(DayOfYear,DOY)057日为例,提供MGEX服务的测站有154个,支持Galileo的有131个,其中,同时支持E1/E5a的有130个,支持E1/E5b的有101个,支持E1/E5/E5a/E5b的有93个。如图1所示,图中圆点表示全球MGEX站分布,其中浅色和深黑色圆点表示MGEX站中支持Galileo的测站,实验从中选取了蓝点所示的16个分布均匀的且同时支持E1/E5/E5a/E5b信号测站,采用其2017年年积日057～077日连续三周采样间隔为30s的观测数据,对系统性能和定位精度进行分析。

3　实验结果及分析

本文首先基于GalileoE1、E5a、E5b、E5以及GPS系统L1、L2、L5多频观测数据,对Galileo与GPS系统的载噪比和多路径进行了分析,然后基于现有数据对现阶段Galileo单系统的双频和三频的PPP浮点解定位精度进行了评价。

3.1　载噪比

对选取的16个测站进行Galileo信号载噪比分析,同时分析GPS信号作为对比。以ZIM2站为例,选取所有的观测数据进行统计,图2是057-063天Galileo与GPS系统7种不同信号载噪比随高度角和年积日变化的情况。可以看出,随着高度角的增高,载噪比增大,总体变化范围在30 ～60dBHz以内,Galileo载噪比从高到低依次是E5、E5a、E5b和E1,其中E5在最高时达到60dBHz,E5a与E5b载噪比大小相当,在最高时达到57Hz,E1最高为55dBHz;与GPS相比,E1与L1整体水平相近,最大值比L1小2dBHz,E5a与E5b大小与L5相近,均超过L2,E5大于GPS所有频率。所有测站得到的结果相似。

从时间上看,Galileo信号载噪比在一周内的变化比较稳定,每天相同高度角平均载噪比变化互差不超过2dBHz.有异常出现在E1信号059日高度角大于50°时,载噪比最小值低至40dBHz,对应为E19号卫星,与文献[18]中现象一致。Galileo信号载噪比整体强于GPS信号,这可能是由于Galileo卫星信号播发功率较GPS更高,并且在信号调制中采用BOC的调制方式,对BPSK进行二次扩频,信号抗干扰能力更强,更加易于捕获,因此接收到的信号质量更好。

3.2　多路径分析

多路径误差是在信号传播过程中,经由不同长度两路径的无线电波间互相干扰形成定位误差,目前没有很好的模型来消除多路径误差,因此在剔除大部分系统误差后,残余的多路径误差是影响GNSS定位主要的误差源。利用公式(2)对不同频率的Galileo和GPS信号进行组合,可以得到各信号的多路径误差。

使用057到077日采样间隔为30s的观测数据进行统计,以ZIM2站为例,图3(a)和图3(b)分别为ZIM2站Galileo和GPS不同频率信号多路径误差的统计图和分布图。可以看出,Galileo和GPS七种信号的多路径误差从小到大依次是E5、E1、L1、E5a、E5b、L2和L5,总体来说随着高度角的升高,多路径误差逐渐减小,直至趋于平稳。统计所有结果,Galileo不同信号的伪距多路径误差分布符合零均值正态分布,最小的是E5信号,中误差为0.2m,幅值不超过1m;其次是E1信号,中误差为0.29m,幅值不超过2m;E5a和E5b多路径误差相当,约0.45m,极个别误差可达2～3m.Galileo信号与GPS相比,E1比L1更优,E5a、E5b、L2和L5误差水平相当,E5则优于所有GPS信号,误差大小约为L2和L5的一半,所有测站结果一致。

Galileo卫星的伪距多路径误差更小,可能由于Galileo卫星的卫星钟性能优于GPS卫星,导致Galileo卫星的伪距观测值精度更高。当卫星高度角小于7°时,高度角的升高使得反射信号更容易进入接收机,多路径误差随之增大,临界高度角大小与测站环境相关;卫星高度角在7°到40°之间时,大气延迟迅速减小,观测值质量提高,多路径误差逐渐减小;当卫星高度角大于40°时,伪距多路径变化已经不大,基本剩余接收机噪声[19]。

3.3　精密单点定位

为比较双频和三频Galileo系统的定位精度,本文进行了PPP实验。精密卫星钟差和轨道由除16个实验测站外全球所有支持E1、E5a和E5b信号的MGEX站观测数据自行计算得到,由此保证计算中轨道和钟差以及软件的自洽性;对流层延迟采用分段常数的方法改正,每2h估计一个参数;接收机天线相位中心采用GPS的天线相位中心偏差代替。最终,实验以GPS双频静态解作为坐标参考值,来分析和评价单Galileo定位结果的外符合精度,并以Galileo单系统连续21天静态解的平均值作为参考值,用以评价内符合精度。

Galileo定位结果的内、外符合精度分别如图4(a)、4(b)所示。从这些图可以看出,Galileo单系统PPP单天解的精度在毫米级到厘米级。其中双频定位内符合精度在E、N、U方向上分别为1.6cm、0.6cm和2.3cm,外符合精度在E、N、U方向上分别为1.7cm、1.0cm和3.7cm.外符合精度的略低于内符合精度,尤其是在高程方向,这可能主要是由于接收机天线相位中心引起的。而三频定位精度较双频略高,但提升幅度并不明显,可能是由于三频观测值并没有改善卫星的几何结构。

4　结束语

Galileo系统是目前四大GNSS之一,并已初步开始提供服务。本文利用ZIM2等16个全球均匀分布的MGEX站连续21天的多频观测数据,对Galileo在轨卫星的载噪比、多路径效应以及精密单点定位精度进行了研究和分析。结果表明,Galileo信号中E5信号多路径、载噪比明显优于E1、E5a和E5b,后三者载噪比和多路径的表现比相同或相近频率的GPS信号相当或更优;精密单点定位结果发现,双频定位结果在厘米级,三频定位结果略优于双频。虽然,目前Galileo定位结果还不及GPS,但随着Galileo系统的建设和完善,可用的卫星和地面跟踪站的增多,其定位精度和性能将得到进一步的提升与改善。

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