基于JXCORS基准站的北斗卫星多路径效应分析

左 娟袁凤萍熊祖腾

（1.江西省基础测绘院 江西南昌 330209；2.江西省测绘成果质量监督检验测试中心 江西南昌330209）

1 引言

北斗卫星导航系统 （BDS）已于2012年12月27日正式开始运行，该系统由中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，现已经为我国多个领域和亚太地区多个国家提供导航及定位服务［1-2］。虽然北斗卫星导航系统已正式投入运行，但是针对北斗导航卫星观测数据质量检查和分析的研究工作较少。尤其是对观测中无法通过观测和精确模型给予消除或削弱的多路径误差影响的研究。本文通过选取江西省卫星导航定位服务系统（JXCORS）北斗升级之后某一基准站点实测观测数据，通过对比分析北斗卫星和GPS卫星的多路径效应的差异，总结多路径误差特性。

2 多路径误差的产生及数学模型

2.1 多路径误差的产生原理

导航卫星信号在传播过程中由于受环境因素的影响，使得本应该直接接收导航卫星信号中包含有周围环境造成的反射的卫星信号，这种反射信号也将进入接收机的天线，对直射导航卫星信号产生破坏性干涉并形成组合信号，导致接收信号的能量发生衰减且相位发生延迟，从而产生测距（定位）偏离真值甚至引起信号失锁，构成导航卫星定位中的多路径误差［3-4］。

2.2 多路径误差计算的数学模型

通过双频伪距观测值P1、P2及载波相位观测值φ1、φ2， 多路径延迟误差 MP1，MP2可以联合伪距及载波观测值建立多路径效应模型。MP1、MP2值越大，多路径影响越严重。计算公式为［5-6］：

式中:P1、P2 分别为载波 L1、L2上的伪距观测值；φ1、φ2分别为载波 L1、L2上的相位观测值；λ1、λ2分别为载波 L1、L2上的波长；a=f21/f22， 其中 f1、f2分别为载波L1、L2上的频率。

3 实验分析

选择JXCORS一基准站点在2017年10月27日（年积日300）所采集的GNSS观测数据，观测时段为24小时，采样间隔15秒，数据记录格式为RINEX（版本：3.02），接收机为 Trimble 的 NET R9，天线为Zephyr Geodetic 2。根据不同轨道卫星的特点，统计分析北斗系统和GPS系统卫星多路径值的差异。

3.1 卫星可见性分析

由于北斗系统（BDS）的卫星星座不同于全部由中地球轨道卫星（32MEO）组成的GPS导航系统。目前北斗系统组网的卫星有14颗，分别由五颗地球静止轨道卫星 （5GEO）、五颗倾斜地球同步轨道卫星（5IGSO）和四颗中地球轨道卫星（4MEO）三种不同轨道卫星组成。图1、图2分别为站点上空的GPS和北斗系统卫星天空视图，可以看出北斗系统和GPS系统卫星天空视图存在明显的差别。

图1 站点卫星天空视图（GPS）

图2 站点卫星天空视图（BDS）

3.2 不同类型的卫星多路径效应分析

由于GNSS接收机每天接收多颗导航卫星的信号，且北斗导航卫星的星座不同于GPS系统，在此限于篇幅按不同轨道选取其中一颗卫星作为代表进行分析。北斗系统由地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中地球轨道卫星组成，分别选取C1（GEO）、C6（IGSO）和 C13（MEO）号卫星。GPS 系统全部由中地球轨道卫星组成，所以只选取G32（MEO）号卫星。下图3至图8为北斗C1、C6、C13号卫星各L1、L2波段多路径效应散点图及高度角变化图。图9至图10为GPS系统中G32号卫星L1、L2波段多路径效应散点图及高度角变化图。

图3 C1号卫星L1波段多路径散点图及高度角变化图

图4 C1号卫星L2波段多路径散点图及高度角变化图

图5 C6号卫星L1波段多路径散点图及高度角变化图

图6 C6号卫星L2波段多路径散点图及高度角变化图

图7 C13号卫星L1波段多路径散点图及高度角变化图

图8 C13号卫星L2波段多路径散点图及高度角变化图

图9 G32号卫星L1波段多路径散点图及高度角变化图

图10 G32号卫星L2波段多路径散点图及高度角变化图

从上图可以看出，由于北斗卫星星座不同于GPS系统，北斗系统导航卫星种类多于GPS卫星；北斗系统中有地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星，使得在我国及亚太地区可以接收到单颗卫星更多的观测数据，卫星观测效率更高；所有的导航卫星中，多路径的变化随卫星高度角的增大而变小，其中：北斗GEO卫星为地球静止轨道卫星，卫星高度角变化最小 （C1高度角变化范围为 47.69°～50.49°），多路径的离散也较小；其次是IGSO卫星，卫星高度角较小时，多路径变化比较大，高度角达到一定阀值时，变化比较平稳；最后，北斗的MEO和GPS的MEO卫星多路径的变化较大，均随着卫星的高度角的起伏而波动。

3.3 多路径效应统计分析

通过对观测文件的理论观测历元数与实际观测到的历元数比较，得到北斗系统有效观测数据值达97.41%，GPS系统有效观测数据值达97.88%，说明观测环境良好。根据公式（1）和（2），在接收卫星数据时间内，按照15秒的采样间隔，分别计算得到相应卫星载波L1、L2上的多路径值MP1、MP2，再通过公式（3）可以计算得到北斗系统L1、L2波段。多路径均方根值 (RMS)分别为 0.3868m、0.3323m，GPS系统L1、L2波段多路径均方根值(RMS)分别为0.3501m、0.4515m，两个系统中L1波段多路径效应相当、L2波段北斗系统更优。为了更加直观的比较北斗系统和GPS系统多路径效应的总体情况，根据公式（3）统计所有的卫星在L1、L2波段多路径值MP1、MP2的均方根值(RMS)。

式中:σ 为多路径均方根值 (RMS)，i=1，2，MP1、MP2分别为载波L1、L2上的多路径计算值，n为根据观测时间计算相应的MP值个数。

图11 GPS卫星信号多路径误差RMS统计图

图12 BDS卫星信号多路径误差RMS统计图

从图11、图12可以看出，GPS系统的MEO卫星的多路径分布整体较均匀，北斗系统中的MEO卫星多路径值较GPS多路径值大，这也从侧面说明GPS系统的稳定性稍优于北斗系统，北斗系统中的GEO、IGSO卫星的多路径值由于轨道的关系变化相对稳定。

4 结论

本文通过实测采集数据中多路径值的提取可以得出:北斗系统在接收数据完整性方面和GPS系统相当；北斗系统多路径效应在L1波段和GPS系统相当，L2波段稍优于GPS系统；北斗系统多路径效应较GPS系统更离散，GPS比较均衡稳定；北斗系统中的GEO卫星，由于卫星高度角变化较小，多路径效应也最小；其次是IGSO卫星，MEO卫星的多路径较大。