BDS3新试验卫星测距信号质量分析

关小果，柴洪洲，潘宗鹏，孔豫龙

(1.信息工程大学，河南 郑州 450001;2.许昌学院，河南 许昌 461000)

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中国自主知识产权的卫星导航系统，专注于满足国家安全和国民经济发展各个方面的需要。中国北斗系统的发展策略为“三步走”[1]：第一步为试验阶段；第二步为区域定位阶段；第三步为全球定位阶段，计划到2020年将完成全球北斗卫星的组网，全球北斗卫星网将包含35颗卫星，组网完成后将可全天候、24 h为全球用户提供高精度的定位、导航和授时服务[2-3]。目前BDS系统建设处于第三步构建全球定位系统阶段，从2015年开始，已陆续发射了5颗BDS3试验卫星，试验卫星的任务是验证北斗全球系统信号体制设计的合理性和信号的性能[4]。

研究分析BDS3新试验卫星测距信号的质量，可以为北斗全球定位系统的信号设计提供相应的实验数据，也可以为后续信号的改进提供数据支持。本文将从卫星数目的可见性、卫星信号频点、载噪比、伪距观测噪声、多路径效应等方面来分析BDS3新试验卫星测距信号的质量[5-7]。

1 BDS3试验卫星

截止 2018年 3月， BDS系统在轨卫星共 28颗，其中 C31号、C32号、C33号、C34号、C35号为BDS3新试验卫星，C35号卫星下行信号异常，地面站无法接收到信号，因此本文重点研究分析C31号、C32号、C33号、C34号这4颗BDS3新试验卫星。

试验卫星兼顾新信号体制和系统过渡的验证任务，目前除了C31号试验卫星仅发播北斗二代一期的信号B1I(1 561.098 MHz)、 B3I(1 269.520 MHz)外，其他试验卫星均新增发播B1C(1 575.42 MHz)、B2a(1 176.45 MHz)、B2b(1 207.14 MHz)3个民用频点。BDS系统的发展阶段及BDS3新试验卫星情况分别如表1、表2所示。

表1 BDS发展阶段

表2 BDS3试验卫星

2 测距信号质量分析

卫星测距信号包含伪距信号和载波相位信号，为了全面客观地分析BDS3新试验卫星测距信号的数据质量，本文将从卫星数目的可见性、信号频点、载噪比、伪距观测值噪声、多路径效应等方面来分析卫星测距信号的质量。

2.1 载噪比分析

载噪比是反映卫星信号质量的重要指标之一[8]，计算公式为信号功率与噪声功率之比。载波噪声比值越高，代表相应的观测信号的质量越好，其算式为：

SNR=PR/(kTBn).

(1)

式中：PR为噪声的功率,w;Bn为噪声的带宽,Hz;k为波尔曼常数，为1.38×10-23J/K。但是噪声功率和载噪比与噪声带宽Bn有相关性，因此通常采用载噪比C/N0用于描述与噪声带Bn无关的量[8]。

2.2 伪距观测值噪声分析

通常采用无几何(Geometry-free)方法来评估伪距观测值的质量，方法有伪距相位差(code minus phase combination, CC)组合、伪距多路径(Multipath combination, MP) 组合以及HMW (Hatch Melbourne Wübbena, HMW) 组合等。简便起见，本文实验采用CC组合的方法进行性能评估，CC组合观测值算式如下：

CC=P-L.

(2)

式中:P为伪距观测量;L为载波相位观测量。CC组合观测值是无几何观测值，可以通过伪距观测量与载波相位观测量组合消除测站和卫星之间的几何距离，其中对流层延迟、卫星钟差等误差的影响也被消除掉。对于单站观测值，可以通过进一步的历元差分，消除载波相位模糊度的影响。同时由于电离层效应和多路径效应在短时间内存在强相关性，这两种误差的影响可以通过差分消除。历元差分后得到的CC组合观测值仅包含伪距观测值噪声，因此本文使用CC组合观测值来评估不同频率观测量的噪声水平。

2.3 多路径误差分析

卫星接收机除了直接接收从卫星发射的信号外，卫星接收机还接收由其他物体(如水面、建筑物等)反射的卫星信号。如果卫星信号经过若干个其他反射物表面反射后，再被接收机天线接收，那么经过反射的信号路径增长，就会形成干扰信号，影响定位精度，这就是多路径效应[9]。因此研究评价卫星测距信号的多路径效应影响很有必要。

常用的多路径误差算式为：

(3)

式中:i，j，k为频率;P为伪距观测量;L为载波相位观测量;λ为 波长;MP为多路径误差值。式(3)通过载波观测量相应项的组合，消去伪距观测量中与频率无关的延迟量,如测站卫星间的几何距离、电离层延迟等。

载波相位观测量的波长较短，并且相应的载波观测噪声项和多路径效应项也远小于伪距观测量中的相应项，同时载波观测量中的模糊度项在没有发生整周跳变的情况下，可以认为是常数，通过多历元平滑可以消去模糊度影响。因此多路径误差主要反映伪距观测量的多路径延迟效应和观测噪声水平[10]。对于不同频率的观测量，可以组成不同的多路径效应观测值，通过不同频率的多路径效应组合观测值的对比，可以分析不同频率观测量的多路径误差。

3 实 验

实验数据采用郑州观测站的实测数据，郑州观测站位于解放军信息工程大学三号实验楼楼顶，环境周围没有物体遮挡，视野较为开阔，设备采用清华大学制造的接收机终端，实验数据处理采用自编软件。数据采集时间为2017-10-01—10-31，为期1个月，数据采样率为1 Hz，高度截止角为10°。

3.1 卫星可见性分析

郑州观测站数据采集时间为1个月，在数据采集期间，C31号和C32号试验卫星每天可观测时段最长，约为20 h；C33号和C34号试验卫星观测时段较短，约为11 h。卫星可见性分析如图1所示。

图1 卫星可见性分析

从图1中可以看出，在长达1个月的时间里，观测数据在10-03—10-04、10-06—10-08期间出现缺失情况，是由于这5 d电脑故障问题，后经电脑修复软件重启，恢复数据采集。

卫星信号的频点如图2所示，由图2可知，C31号试验卫星仅发播北斗二代一期的信号B1I(1 561.098 MHz)、 B3I(1 269.520 MHz)外，其他试验卫星均新增发播B1C(1 575.42 MHz)、B2a(1 176.45 MHz)、B2b(1 207.14 MHz)3个民用频点。

图2 卫星信号频率

3.2 载噪比分析

采用实测数据，对同一卫星不同频点的载噪比进行分类统计，结果如图3所示，同一卫星中，B1I、B3I、B2b的载噪比比较接近，相差0.5～1 dBHz；与上述频点比较而言，B1C与B2a比较接近但均低于上述频点2～5 dBHz。

图3 载噪比(按卫星统计)

对于各颗试验卫星，B1频点载噪比相对大小为B1I>B1C；B2频点中载噪比的大小为B2b>B2a。

3.3 伪距观测值噪声分析

为便于分析，选用2017-10-17 1 d的观测值噪声为例，结果如图4所示，在所有频点中，B1C、B1I频点噪声相对较大，约0.2～0.3 m；B2a、B2b、B3I频点噪声较小，均在0.1 m以下。对比相同频点，不同卫星的伪距观测值噪声表现略有差异，主要和卫星轨道类型有关，MEO类型卫星(C33-34)噪声比IGSO类型卫星(C31-32)大，即不同轨道类型卫星伪距噪声相对大小为MEO>IGSO。相同轨道类型的卫星，伪距观测量噪声水平相似，各频点噪声水平之间的相对大小基本相同。

3.4 多路径效应分析

采用2017-10-17的观测数据，其相应的多路径数据如图5所示，在所有频点中，B1C、B1I频点多路径效应相对较大，B2a、B2b、B3I频点多路径效应相对较小，这与设计信号的码速率是直接相关的，码的速率越高，相应的抗多路径效果越好。对于相同频点，不同卫星的变化略有不同，MEO类型卫星(C33-34)多路径效应比IGSO类型卫星(C31-32)相对要大，即不同轨道类型卫星多路径效应相对大小为MEO>IGSO。对于相同轨道类型的卫星，多路径效应是相似的，并且每个频点的多路径效应的相对大小基本相同。

通过对实测数据进行MP组合多路径分析，可以得出以下结论：对于相同的频点，MEO卫星多路径效应大于IGSO卫星；各频点多路径相对大小关系与噪声表现相似， B1C、B1I等频点多路径较大，稳定性较差。

4 结束语

通过北斗三代新试验卫星实测数据，分别从卫星数目的可见性、信号频点、载噪比、伪距观测值噪声、多路径效应等方面对北斗第三代试验卫星的数据质量进行分析。结果表明：

图5 多路径效应(按卫星统计)

1)卫星可见性和信号频点。C31号和C32号试验卫星每天可观测时段最长，约为20 h；C33和C34号试验卫星观测时段较短，约为11 h。C31号试验卫星仅发播北斗二代一期的信号B1I、 B3I外，其他试验卫星均新增发播B1C、B2a、B2b 3个民用频点。

2)载噪比。相同频点，不同卫星的载噪比表现略有差异，不同轨道类型卫星伪距噪声相对大小为MEO>IGSO；在所有频点中，B1I、B3I、B2b的载噪比较为接近，相差0.5～1 dBHz；与上述频点比较而言，B1C与B2a比较接近但均低于上述频点2～5 dBHz。

3)伪距观测噪声。在同一个频点上，不同类型卫星伪距观测值的噪声性能略有不同，不同轨道类型卫星伪距噪声相对大小为MEO>IGSO；相同轨道类型的卫星，伪距观测量噪声水平相似，各频点噪声水平之间的相对大小基本相同。

4)多路径效应。在同一频点，不同卫星的多路径效应变化略有不同，不同轨道类型卫星多路径效应相对大小为MEO>IGSO；对于相同轨道类型的卫星，多路径效应是相似的，并且各个频点的多路径效应相对大小基本相同，B1C、B1I等频点多路径较大，稳定性较差。值得注意的是，此次实验测站仅为单个测站，实验数据只是反映实验所使用的接收机接收数据的质量，在未来的研究中可以对多个不同测站、不同类型接收机数据采集质量进行分析，以保障结论的全面性。