GPS/QZSS/Galileo 兼容频率定位性能分析

黎国军 周维杰

（1 江西省九江市修水县自然资源局 江西修水332400；2 四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队 四川成都610213）

1 引言

为了国家的安全与发展，一些国家已经建设了自己的卫星导航系统，目前比较成熟的卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo、中国的BDS 以及日本QZSS 等[1－2]。随着卫星导航系统的不断成熟与增多，多系统组合导航与定位将是今后发展的必然趋势，也是实现高精度导航与定位的有效方法。为了使各导航系统之间组合定位的兼容性更高，各卫星导航系统之间都设计可以兼容的信号频率，即信号频率一致，其中GPS、Galileo 以及QZSS 的L1 频率一致，为1575.42Hz，L5频率也一致，为1176.45Hz[3－4]。其中GPS 和Galileo 发展较早，QZSS 则是在2018 年初实现导航与定位服务，但是其提供增强服务以提升其他导航系统定位精度，其增强服务原理是观测信号中包含其他导航系统的星历以及改正数等信息[5－6]。目前很多学者只是系统的研究QZSS 与其他导航系统的组合定位，并未详细分析兼容频率组合定位情况，文献[7]初步评估了QZSS 系统在亚太地区的定位性能，发现QZSS 系统对日本地区定位精度的增强最为明显，与GPS 组合定位精度相比于单系统有了明显的改进，L1-SAIF 增强信号能显著提升GPS 系统实时导航的精度；文献[8]分析了BDS/QZSS 组合的精密单点定位精度，发现组合系统下卫星空中分布结构得到了有效改善，相比于单系统定位精度也有了一定的提高，QZSS 卫星的加入，增强BDS 卫星的定位精度、可靠性和稳定性；文献[9]分析了QZSS 对GPS 的增强效果，发现L1-SAIF 信号对GPS 单点定位精度有了较大的提升，可以实现分米级定位；文献[10]分析了QZSS/GPS 组合下的定位性能，发现QZSS/GPS 组合使遮挡环境下的定位情况有了较大改善，尤其是高度角情况下最为明显。

为进一步分析QZSS 与其他导航系统兼容频率的定位性能，本文评估了GPS/Galileo/QZSS 兼容频率的数据质量，并且分析了双系统和三系统组合兼容频率L1、L2 的伪距单点定位精度。

2 数据质量对比分析

GNSS 数据质量是决定GNSS 定位精度的先决条件，又因为GPS、QZSS 以及Galileo 的L1 和L5 频率一样，因此在进行数据处理之前进行数据质量评估是非常必要的。本文选取了IGS 连续跟踪POTS站2019 年第100 天的数据，数据采样率为30s，从信噪比以及多路径两个方面分析GPS/QZSS/Galileo 的数据质量。

2.1 信噪比

信噪比是评估GNSS 数据质量的常规指标之一，是指信号强度与观测信号噪声的比值，信噪比越大，证明观测信号强度越强，其可以直接从POTS 站观测文件中获取。

图1 L1 频率信噪比

图2 L5 频率信噪比

如图1 所示，GPS、Galileo 以及QZSS 三个系统的L1 频率信噪比随着高度角的增加而增加，其中GPS 卫星的L1 频率的信噪比趋于53dB-Hz，Galileo卫星的L1 频率的信噪比趋于51dB-Hz，QZSS 卫星的L1 频率的信噪比趋于50dB-Hz，可见L1 频率的GPS 信号强度优于Galileo 优于QZSS。如图2 所示，GPS、Galileo 以及QZSS 三个系统的L5 频率信噪比随着高度角的增加而增加，其中GPS 卫星L5 频率的信噪比趋于58dB-Hz，Galileo 卫星L5 频率的信噪比趋于55dB-Hz，QZSS 卫星L5 频率的信噪比趋于55dB-Hz，可见L5 频率GPS 信号强度优于Galileo和QZSS，而Galileo 和QZSS 的信噪比基本一致。整体而言，GPS、Galileo 以及QZSS 三个系统L5 频率的信号强度优于L1 频率的信号强度。

2.2 多路径

多路径效应是指接收机天线在接收到卫星直接发射信号的同时还会接收到经过传播路径上地物反射的信号，多种信号叠加而产生的延迟。特别是在进行建筑物变形监测时，监测点通常布设位置周围地物较多，更容易受到多路径效应的影响，严重影响了测量的精度。本文采用无几何无电离层方法计算多路径，公式如下[11]：

式中，MP 表示多路径；P 伪距观测值；Φ 表示载波观测值；m 表示载波多路径效应；n 表示整周模糊度；λ 表示波长；f 表示频率；序号表示频率号。

如图3 所示，GPS、Galileo 以及QZSS 三个系统的L1 频率的多路径都随着高度角的增加而减小，其中GPS 和Galileo 系统L1 频率的多路径在3m 以内，当高度角达到20°时，两个系统的多路径减少更为明显，在1m 以内。QZSS 系统L1 频率的多路径除了在高度角为18°时多路径达到1.2m，其他情况下多路径都在1m 以内，QZSS 系统L1 频率的多路径效应明显小于GPS 和Galileo 系统。如图4 所示，GPS、Galileo 以及QZSS 三个系统的L5 频率的多路径都随着高度角的增加而减小，其中GPS 系统的L5频率的多路径在3m 以内，Galileo 系统L5 频率的多路径在2m 以内，当高度角达到20°时，两个系统的多路径减少更为明显，在1m 以内，QZSS 系统L5 频率的多路径在0.6m，明显优于Galileo 系统L5 频率的多路径优于GPS 系统的L5 频率的多路径。

图3 L1 频率多路径

图4 L1 频率多路径

3 数据处理分析

为进一步分析GPS/QZSS/Galileo 兼容频率定位性能，依旧选用POTS 站2019 年第100 天的数据进行不同组合情况的伪距单点定位精度分析。本文在进行伪距单点定位精度分析时采用两种方案进行分析，每种方案按照四种不同的组合进行定位。第一种方案只利用L1 频率进行定位，分别进行GPS/Galileo组 合、GPS/QZSS 组 合、Galileo /QZSS 组 合 以GPS/Galileo/QZSS 组合；第二种方案只利用L5 频率进行定位，分别进行GPS/Galileo 组合、GPS/QZSS 组合、Galileo /QZSS 组合以GPS/Galileo/QZSS 组合。

图5 卫星轨迹

如图5 所示，GPS 卫星在空中分布的密度大于 Galileo 大于QZSS，同时发现GPS 系统的在全球的服务范围大于Galileo 大于QZSS，其中QZSS 的服务范围只在亚太地区。

图6 L1 频率组合定位误差

如图6 所示，利用L1 频率进行双系统组合定位时，GPS/ Galileo 组合下水平方向误差在3m 以内，竖直方向误差在4m 以内，GPS/ QZSS 组合下水平方向误差在2m 以内，竖直方向误差在3m 以内，Galileo /QZSS 组合下，水平方向误差在3m 以内，竖直方向误差在8m 以内，GPS/ Galileo/QZSS 组合下水平方向误差在2m 以内，竖直方向误差在3m 以内。可以发现GPS 与QZSS、Galileo 组合定位误差要小于Galileo/QZSS 组合，而三系统组合定位误差要小于双系统组合。

进一步统计L1 频率不同系统组合伪距单点定位的RMS 值。

如表1 所示，利用L1 频率组合定位时，GPS/Galileo、GPS/ QZSS 和GPS/ Galileo/QZSS 三种组合情况下E、N 和U 三个方向的RMS 值都优于1m，其中GPS/ QZSS 组合情况下的定位精度最高，而Galileo /QZSS 组合情况下，N 方向RMS 值优于2m，E 方向和U 方向RMS 值优于3m。发现QZSS L1 频率与Galielo E1 频率兼容性较差，组合定位精度较低，同时也降低了GPS/ Galileo/QZSS 组合定位精度。

表1 L1 频率伪距单点定位RMS 值统计

如图7 所示，利用L1 频率进行双系统组合定位时，GPS/ Galileo 组合下水平方向误差在6m 以内，竖直方向误差在10m 以内，GPS/ QZSS 组合下水平方向误差在8m 以内，竖直方向误差在12m 以内，Galileo /QZSS 组合下，水平方向误差在9m 以内，竖直方向误差在14m 以内，GPS/ Galileo/QZSS 组合下水平方向误差在6m 以内，竖直方向误差在8m 以内。同时发现，三系统组合相比双系统组合定位误差有明显减小。

图7 L5 频率组合定位误差

进一步统计L5 频率不同系统组合伪距单点单点定位的RMS 值。

表2 L5 频率伪距单点定位RMS 值统计

如表2 所示，利用L5 频率组合定位时，GPS/Galileo、GPS/ QZSS、Galileo /QZSS 和GPS/ Galileo/QZSS 四种组合情况下E 和N 方向RMS 值优于2m，U 方向的RMS 值都优于5m，在四种组合情况下，GPS/ QZSS 组合情况下的定位精度最高，Galileo 的加入降低了伪距单点定位精度，这可能是因为Galileo E5a 频率与GPS、QZSS L5 频率兼容性较差。

综合表1 和表2 可知，QZSS 系统L1 频率与GPS 组合定位精度要优于L5 频率组合定位精度，这是因为L1 频率具有增强信号服务，同时发现Galileo系统与QZSS 系统兼容频率之间兼容性较差，噪声较大，降低了定位精度。

4 结论

本文分析了GPS/QZSS/Galileo 兼容频率定位性能分析，发现三个系统的整体观测信号质量较优，其中QZSS 的观测信号质量优于GPS 和Galileo 系统，L5 频率的信号质量优于L1 频率。由于QZSS 系统的L1 频率信号具有增强服务，因此L1 频率的组合定位精度优于L5 频率，但是在两个频率定位中都体现出Galileo 系统与QZSS 系统组合定位性能较差，可能是二者兼容频率之间兼容性较差，观测噪声较大，导致二者组合定位精度较低。