BDS⁃3观测数据质量分析及精密定轨

杨鸿毅，王潜心，毛 亚，胡 超，何义磊

（中国矿业大学环境与测绘学院，徐州221116）

0 引言

我国北斗二代导航系统早已于2012年开始向亚太地区提供服务，目前共有5颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）、6颗地球静止轨道卫星（GEO）和3颗中地轨道卫星（MEO）共14颗卫星在轨运行。随着2015年首颗BDS⁃3试验卫星的成功发射，拉开了北斗导航系统全球化的帷幕。截止到2018年4 月，BDS⁃3 卫星共在轨5 颗试验卫星（C31⁃C35）和8 颗组网卫星（C19、C20、C21、C22、C27、C28、C29、C30）。北斗卫星导航定位系统将于2020年左右完成全球组网，届时将有24颗MEO、3颗GEO和3颗IGSO卫星在轨，基本实现全球覆盖，正式向全球用户提供服务［1］。表1给出了BDS⁃3卫星的具体参数［2］。

表1 BDS-3卫星状态Table 1 BDS-3 satellites status

随着BDS系统的快速发展，为实现与其他导航系统互操作，BDS⁃3系统在原播发信号 B1I（1561.098MHz）、B3I（1269.520MHz）的基础上增加了新的导航信号，分别为：B1C（1575.42MHz）、B2a（1176.45MHz）、B2b（1207.14MHz［3⁃4］。学者们对BDS系统展开了研究，并取得了初步的结果。学者们详细分析了北斗二代卫星的频率稳定性，其千秒稳定度、万秒稳定度和日稳定度分别为3×10-13～4×10-13、1×10-13～2×10-13、1×10-14～2×10-14，基本符合北斗二代系统原子钟设计指标［5］。文献［6］～文献［8］对 BDS⁃3 试验卫星进行了初步的研究，BDS⁃3试验卫星原子钟频率稳定度比BDS⁃2提高了一个量级。文献［9］主要分析了BDS⁃3系统C32～C34卫星5种信号的载噪比（C/N0）和伪距多路径等性能，结果表明BDS⁃3的观测数据质量同GPS L1/L2/L5 和 Galileo E1/E5a/E5b 相当。文献［10］详细探讨了一步法、两步法和法方程融合法等解算策略的定轨精度，取得了一定的成果。

目前，针对BDS⁃3的研究主要集中于观测值质量以及轨道精度层面，少有文章系统的从信号质量、定轨精度以及钟差性能方面进行分析。因此，本文参考现有的研究的成果，使用iGMAS观测值数据，从信号质量到精密定轨精度以及钟差性能等方面进行了系统研究。

1 数据质量分析

目前，能够接收到双频 BDS⁃3卫星信号的GNSS观测站仅有国际GNSS监测评估系统（Interna⁃tionalGNSS Monitoring ＆ AssessmentSystem，iGMAS）跟踪网和部分多模 GNSS 实验（Multi⁃GNSS Experiment，MGEX）跟踪网。但是，MGEX测站仅能够接收到B1I BDS⁃3信号，仅个别站能接收B3I信号，而iGMAS监测站则能够接收到BDS⁃3系统的 B1I/B3I/B1C/B2a 信号。当前，能够接收到BDS卫星数据的iGMAS测站为22个，其中能够接收到 BDS⁃3 新型卫星（C19～C22、C27～C30）的测站为17个，各测站分布情况如图1所示。选取2018年5月18日至2018年5月27日（年积日：138～147）共10天的观测数据，从数据完整率、多路径效应和周跳比3个方面对8颗卫星的B1C和B2a频点的观测数据质量进行分析。

图1 用于定轨的MGEX与iGMAS测站分布Fig.1 MGEX and iGMAS stations distribution used for orbit determination

卫星信号在生成和传输过程中会因为各种原因（遮挡、时延、网络中断等）而造成数据缺失，从而影响了观测数据可用性。针对数据质量的研究，文献［11］～文献［14］给出了数据完成率、信噪比和多路径等数据质量指标的详细计算模型和评估方法，在此本文不再做赘述。本文直接对BDS⁃3卫星数据质量进行分析。图2～图4给出了各iGMAS测站10天BDS⁃3卫星B1C和B2a信号的数据完整率、多路径误差和周跳比的平均值，表2则是给出了每颗卫星相应指标的平均值。

图2 各测站卫星的数据完整率Fig.2 Data integrity rate of different satellites at different stations

图3 各测站卫星的多路径误差Fig.3 Multipath error of different satellites at different stations

图4 各测站卫星的周跳比Fig.4 Cycle slip ratio of different satellites at different stations

由图2～图4可知，TAHT不具备接收B1C和B2a频点观测数据的能力，不对其进行分析。对于B1C频点，除BRCH、GUA1和ICUK外，测站的数据完整率平均值都大于70%；而对于B2a频点，除GUA1测站，其余所有测站的数据完整率平均值都大于80%。可以明显的看到，B2a频点的数据完整率优于B1C频点。ABJA测站B1C和B2a频点的伪距多路径误差异常，最大分别达到16m和10m，周跳比高达700，表明周跳现象较为严重，出现这种情况可能与ABJA所处的环境有关。除此之外，CHU1和XIA1测站B2a频点的伪距多路径达到了3m的量级，DWIN、KNDY和PETH 3个测站个别卫星的周跳现象较严。

表2 BDS-3卫星的数据完整率Table 2 Data integrity rate of BDS-3 satellites

由表2可知，BDS⁃3卫星B2a频点数据完整率均大于85%，而B1C频点数据完整率在75%左右。B1C和B2a伪距多路径误差均在0.35m以下，且每颗BDS⁃3卫星B2a频点的伪距多路径误差比B1C频点小0.1m左右。近62%的BDS⁃3卫星周跳比小于10，周跳比大于10的情况集中体现在上述测站，其他测站比较稳定。C21和C22卫星的周跳现象严重于其他6颗卫星。

2 精密定轨精度分析

目前，能够接收到BDS⁃3信号的测站数目较少且分布不均匀，大多分布在国内，且各测站的数据质量存在一定的差异。根据文献［15］的相关研究，现有的可跟踪BDS⁃3信号的测站无法满足精密定轨需求。在多模多频融合定轨研究中，充分运用各跟踪网观测数据可以提高参数解算强度，间接地提高解算参数精度。因此，本文针对BDS⁃3卫星跟踪站较少和分布不均匀的问题，用分步法解算BDS⁃3卫星的精密轨道，即：首先利用GPS＋BDS⁃2观测数据和对应的精密星历进行精密单点定位，确定和iGMAS测站相关的参数（测站坐标、对流层参数、测站钟差等）；然后将测站参数固定，采用iGMAS接收到的 BDS⁃3观测数据求出 BDS⁃3卫星轨道、钟差等参数。进行BDS⁃3卫星定轨采用的测站如图1所示。

文中选取了2018年年积日138～147共10天的iGMAS和MGEX跟踪站的观测数据解算3天弧段的BDS⁃3卫星精密轨道、钟差产品。由于在实验期间，尚未提供可靠的BDS⁃3卫星的精密星历和SLR观测数据，本文采用重叠弧段的方法进行精度对比。在进行钟差精度统计时，采用重叠弧段作二次差比较的方法，即先选择一颗较为稳定的卫星钟作为参考卫星钟（本文选择C19号卫星作为参考），将其他卫星与参考钟作一次差消除因基准不同而引入的系统误差

将作差后的解算钟差与第二个定轨弧段内相同时间段内的钟差作二次差

统计各颗卫星二次差后时间序列标准差STD以及RMS，分析各颗卫星钟差的解算精度

图5～图6给出了实验期间8颗BDS⁃3卫星重叠弧段轨道1D RMS和钟差数据的RMS和STD，并在表3中给出了相应的统计信息。

图5 重叠弧段轨道精度统计Fig.5 Accuracy of orbit overlap segment

图6 重叠弧段钟差精度统计Fig.6 Accuracy of clock offset overlap segment

表3 重叠弧段钟差精度统计Table 3 Accuracy statistics of clock offset overlap segment

从图5和表3的统计信息可以看出，采用分步法解算的8颗 BDS⁃3卫星轨道重叠弧段整体1D RMS优于20cm，径向基本优于5cm，1D RMS 70%优于 15cm。其中，C19/C22/C30个别天出现异常，出现这种现象的主要原因是由于可观测到的数据量较少。

因选择C19为参考星，在对RMS进行分析时未做精度统计。通过分析可以发现：解算得到的8颗BDS⁃3卫星钟差重叠弧段的STD和RMS基本优于0.5ns，说明解算的两次处理过程的卫星钟差产品相对稳定，不存在明显的系统误差，C30出现与轨道相同天的跳跃。

3 频率稳定度分析

频率稳定度表征了原子钟授时的稳定性，是决定定位精度的一个重要因素［16］。下面给出频率稳定度指标的计算公式。

在进行频率稳定性分析之前，需对钟差数据进行细致的处理，尽可能剔除钟差数据中存在的粗差和钟跳等异常值。本文采用比较常用的中位数法（MAD）进行异常值探测，具体如下

表4给出了 BDS⁃3、BDS⁃2卫星钟差的频率稳定度信息。可以发现，BDS⁃3卫星钟差的千秒稳定度、万秒稳定度和日稳定度分别可以达到4.64×10-13、8.55×10-14、1.28×10-14，相对于BDS⁃2系统分别提升了25.89%、8.25%和14.82%。

表4 频率稳性计算结果Table 4 the result of frequency stability

4 结论

我国北斗卫星导航系统正处于快速发展阶段，为分析BDS⁃3卫星观测数据的质量，选择能够接收BDS⁃3卫星信号的iGMAS跟踪站观测数据作为研究基础，着重介绍了BDS⁃3卫星的数据完整率、多路径和周跳比情况。分析结果表明，BDS⁃3卫星信号的数据完整率基本在75%以上，多路径误差除部分异常站外均优于0.35m，超过62%的数据周跳比小于10。通过对BDS⁃3信号数据质量的分析，可以发现现有的BDS⁃3卫星观测数据质量能够基本满足用户的需求。在初步分析了BDS⁃3卫星的数据质量后，采用iGMAS和MGEX两个跟踪网的观测数据进行了连续10天的三天弧段精密定轨实验。对比分析了重叠弧段的轨道、钟差精度，可以发现重叠弧段轨道1D RMS精度优于20cm，径向精度基本优于5cm，解算的钟差产品其RMS和STD精度均大部分优于0.5ns，说明解算的钟差产品比较稳定，天与天之间没有明显的系统偏差。在实验期间，解算的C29和C30两颗卫星的轨道、钟差精度出现部分天的跳跃情况，主要是由于观测数据量较少的缘故。另外，为准确把握BDS⁃3卫星钟差的频率稳定度情况，采用解算得到的卫星钟差产品分析了BDS⁃3卫星的频率稳定度，其千秒稳定度、万秒稳定度和日稳定度分别能够达到4.64×10-13、8.55×10-14、1.28×10-14，相比于BDS⁃2卫星分别提升了25.89%、8.25%、14.82%。本文主要对BDS⁃3系统进行了初步的分析，对中国北斗卫星导航事业的发展具有一定的实际意义。