BDS-3数据质量及SPP定位性能分析

谭理庆，曹阳，彭琦，唐帅，刘俊，杨鑫

(重庆两江卫星移动通信有限公司，重庆 401120)

0 引言

2020年6月23日，北斗三号（BDS-3）最后一颗组网卫星发射升空，标志着BDS-3完成建设.BDS-3由24颗中圆地球轨道(MEO)卫星、3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星、3颗地球静止轨道(GEO)卫星组成[1]，BDS-3相应卫星信息如表1所示.BDS-3不仅具有基本导航、区域/全球短报文播发功能，还可以提供授时、精密定位信息播发、星基增强、国际搜救等功能服务[2].相较于北斗二号(BDS-2)，BDS-3除了能播发B1I、B3I频点信号外，还能播发B1C、B2a、B2b等频点信号，BDS-3各频点相关信息如表2所示.同时也需注意B2I信号在BDS-2所有卫星上播发，提供公开服务，但在BDS-3上被B2a信号取代.

表1 BDS-3卫星星座基本信息

表2 BDS-3信号频点

BDS-3观测数据的质量直接影响到系统定位的可靠性、稳定性、可用性及定位的精度，从根本上影响了BDS-3的性能服务水平，并间接影响到系统的全球化应用进程[3]；研究BDS-3定位性能对拓展BDS-3在导航定位领域的应用也具有重要意义，因而对BDS-3观测数据质量及定位性能进行研究分析是一项很有意义且必要的工作.目前，已有相应研究人员对BDS-3观测数据及定位性能进行了研究[4-11]，但研究对象主要为C19～C37编号的卫星，缺乏对建成后BDS-3的研究.本文从数据完整率、信噪比、多路径效应、观测值噪声四个方面评估分析了建成后BDS-3的观测数据质量；研究了BDS-3各频段伪距单点定位精度，并与BDS-2、GPS的定位精度进行了对比分析.

1 实验数据来源

为了评估分析建成后BDS-3的观测数据质量及定位性能，本文选取WUH2、GANP、TIT2等MGEX（Multi-GNSSExperiment）跟踪站2020年7月22日，采样间隔为30 s的观测数据作为实验数据进行相关分析，实验所用跟踪站分布如图1所示.各跟踪站均能接收到BDS-3卫星相应频段的信号，表3为各跟踪站配备的全球卫星导航系统（GNSS）接收机及天线类型.

图1 实验选用MGEX跟踪站分布

表3 跟踪站设备类型

2 数据质量分析

本文选取TIT2、LPGS、UNB3等6个接收机，天线类型不同的测站数据来评估分析建成后BDS-3的观测数据质量.

2.1 数据完整率

数据完整率可表示为实际观测值个数与理论观测值个数的比值.对于测地型GNSS接收机、伪距、载波相位观测值数据完整率基本一致[12]，因此本文只给出载波数据完整率.

图2为各测站BDS-3MEO、GEO、IGSO卫星、BDS-3、GPS整体的数据完整率.从中可以发现各测站MEO卫星的数据完整略低于GEO、IGSO卫星，但各类型卫星数据完整率都在95%以上，各测站数据完整率都在98%以上.同时也可发现，各测站上BDS-3数据完整率和GPS十分接近，水平相当.

图3为各测站上BDS-3、GPS相应信号频段的数据完整率.不难发现，BDS-3系统各信号频段的数据完整率相差不大，但B1C、B2a、B2b频段数据完整率略高于其他频段.BDS-3 B1C、B2a、B2b频段数据完整率和GPS L1C、L2W频段基本一致.

图2 各测站上BDS-3、GPS数据完整率

图3 各测站上BDS-3(左)、GPS(右)信号频段的数据完整率

2.2 信噪比

信噪比值会受到接收机跟踪、捕获信号的能力以及其内部抑制噪声的能力、观测环境等因素的影响，能准确地反映测距信号的优劣水平.

图4为各测站上相应BDS-3、GPS卫星信号频段的信噪比均值.由图可知，各测站上BDS-3信号频段的信噪比均值都在45 dB·Hz以上，其中B2a+b频段的信噪比值最高，各测站的平均值均在52 dB·Hz附近，和GPSL5X频段信噪水平大致相当；B2a、B2b信噪比值接近，平均值在50 dB·Hz左右，和GPS L1X频段相当；B1C、B1I、B3I频段信噪比值接近，高于GPS L1W、L2W频段.整体上，BDS-3信噪比要高于GPS系统.

图4 各测站上BDS-3(左)、GPS(右)信号频段的信噪比均值

图5分别给出了TIT2测站上某些卫星各频段的信噪比.可以发现：在BDS-3 IGSO、MEO卫星上，B1I频段信噪比要高于B3I频段；但在BDS-3 GEO卫星上，B3I频段信噪比要低于B1I频段，整体上BDS-3GEO卫星信噪比要低于IGSO、MEO卫星.

图5 TIT2测站BDS-3卫星信噪比

图6 TIT2测站上BDS-2GEO卫星信噪比

图6为TIT2测站上BDS-2 GEO卫星的信噪比.由图可知：BDS-2GEO卫星上B3I频段信噪比同样要低于B1I频段；BDS-3GEO卫星上B1I、B3I的信噪比随着历元出现频繁波动，但这种现象并没有发生在同测站BDS-2的GEO卫星上，且使用不同接收机、天线测站上均存在上述现象，造成这一现象的原因有待进一步研究.

2.3 伪距多路径效应

伪距多路径效应会严重损害GNSS定位精度，严重时还将到GNSS接收机信号失锁.本文采用G-Nut/Anubis软件中的公式计算伪距多路径效应值[13].

图7 各测站上BDS-3(左)、GPS(右)信号频段的伪距多路径均值

图7为各测站相应BDS-3、GPS系统各信号频段的伪距多路径平均值.可以发现，BDS-3中B1I、B3I频段伪距多路径相对较大，B2频段上多路径平均值在不同类型接收机跟踪站上均小于B1、B3频段；其中B2b频段伪距多路径普遍小于BDS-3其他频段.GPSL5频段伪距多路径值是所有频段中最小的，平均值普遍在20 cm以下，这反映出GPSL5频段具有更好的抗多径能力.同时也可发现，在各测站上BDS-3大部分频段伪距多路径和GPSL1、L2频段处于同一水平.

图8为各测站上BDS-3不同类型卫星伪距多路径平均值，从中可知BDS-3系统MEO卫星伪距多路径要大于IGSO、GEO卫星的伪距多路径.

图8 各测站上BDS-3不同类型卫星伪距多路径平均值

2.4 伪距观测值噪声

伪距观测值噪声是反映GNSS接收机综合性能的重要指标之一，同时也反映了卫星信号本身的质量，且伪距观测值噪声与卫星信号的信噪比强弱紧密相关[14]，本文采用二次多项式拟合法计算各卫星频段伪距观测值噪声.

图9为TIT2、KRGG测站上BDS-3 IGSO、GEO、MEO卫星以及GPS的伪距观测值噪声平均值.从中可以发现各测站上GEO卫星的伪距观测值噪声要明显大于IGSO、MEO卫星的伪距观测值噪声，这与BDS-3系统GEO卫星信噪比水平低于IGSO、MEO卫星存在密切关系；IGSO卫星伪距观测值噪声要小于大部分MEO卫星，而大多数MEO卫星伪距观测值噪声水平相当；整体上，BDS-3绝大多数卫星的伪距观测值噪声普遍小于0.3m.相较于GPS伪距观测值噪声平均值，可以发现大部分BDS-3卫星伪距噪声稍大，但两个系统伪距噪声整体水平接近.

图9 TIT2(左)、KRGG(右)测站上BDS-3卫星及GPS系统的伪距观测值噪声平均值

图10为TIT2测站上部分卫星相应频段的伪距观测值噪声分布图.可以发现，各频段的伪距观测值噪声主要分布在0.8m以内.同时从图中不难发现：在BDS-3卫星上，B2a、B3I频段伪距观测值噪声相当，其均方根（RMS）值大多在0.1～0.2m，小于其他各频段；B2b、B2a+b频段伪距观测值噪声接近，整体上大于B1C频段；B1I伪距观测值噪声是各频段中最大的，各卫星的RMS值普遍在0.25～0.45m.结合图5、图10可以发现，随着卫星信号信噪比升高（降低），相应信号的伪距观测值噪声表现出相反的变化，这表明信号信噪比越大，则伪距观测值噪声越小.

图10 TIT2测站上BDS-3卫星的各频段伪距观测值噪声

3 BDS-3定位精度分析

BDS-3观测数据质量从源头上影响了BDS-3定位性能和服务性能，对BDS-3定位性能进行分析也可进一步评估BDS-3的观测数据质量.本文对BDS-3单频、双频无电离层组合观测值的伪距单点定位精度进行了分析，并对比分析了BDS-3、BDS-2、GPS的定位精度；在进行定位精度分析时，各MGEX测站的精确坐标由SINEX文件提供.在进行伪距单点定位解算时，剔除卫星高度角在10°以下及信噪比在25 dB·Hz以下卫星的数据，具体的解算策略如表4所示.

3.1 BDS-3各频点SPP定位性能分析

本实验采用TIT2、ULAB、GANP测站数据对BDS-3单频和双频无电离层组合伪距单点定位性能进行分析.表5为BDS-3在相应测站上伪距单点定位精度.从表5可以发现BDS-3单频定位精度最高的是B3I频段，B1C、B2a频段定位精度高于B2b、B2a+b频段，B1I频段定位精度最低.同时可以发现，在各个测站上BDS-3各频段在水平、高程方向定位精度均优于5m.此外，在各个测站上都存在双频无电离层组合定位精度低于单频定位精度的情况；且B2a/B3I双频定位精度明显低于B1I/B2a、B1I/B3I，这与B2a/B3I双频无电离层组合观测值将伪距噪声放大的倍数远大于B1I/B2a、B1I/B3I双频组合紧密相关.

表4 实验SPP解算策略

表5 BDS-3伪距单点定位精度RMS m

3.2 BDS-2/BDS-3 SPP定位性能分析

为分析BDS-2、BDS-3在亚太及周边区域的定位性能，本次实验选取图11中各测站观测数据，对比分析BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3单频（B1I、B3I）、双频无电离层组合观测值（B1I、B3I）的伪距单点定位精度.

图11 亚太及周边区域测站上BDS-2、BDS-3平均卫星可见数与PDOP 均值

从图11可以发现，在中国及附近区域，BDS-3、BDS-2可见卫星数及位置精度因子（PDOP）值大致相当；但在高纬度的ARHT、GCG0测站以及远离亚太区域的KRGG测站上，BDS-3可见卫星数及PDOP值均远优于BDS-2，这与BDS-2本身存在边缘效应紧密相关.

从表6可以发现，在中国及附近的测站ULAB、WUH2、SG0C上，BDS-2、BDS-3定位性能相差不大；在远离亚太区域的KRGG测站上，BDS-2系统定位精度远低于BDS-3系统；在高纬度的测站GCG0、ARHT上，BDS-2大部分时间段无法定位，但BDS-3在水平、高程方向定位精度仍优于5m.此外，BDS-2/BDS-3单频、双频无电离层组合定位精度相较于BDS-2、BDS-3均有不同幅度的提升，但在高纬度地区对BDS-3定位精度提升幅度很小.同时从表中也可发现：双频无电离层组合水平方向定位精度显著低于单频定位精度.

表6 BDS-2、BDS-3伪距单点定位精度RMS m

3.3 BDS-3/GPSSPP定位性能分析

本文在对各测站GPS各频段进行SPP定位性能分析时发现：GPS L1频段定位精度高于L2频段；L5频段多路径效应/观测值噪声更小，但L5频段可见卫星数较少及数据完整率低，导致其定位精度低于L1、L2频段.从表5、表6可知：BDS-3中B3I单频定位精度最高.因此本节只给出各测站BDS-3(B3I、B1I/B3I)、GPS(L1、L1/L2)水平及高程定位精度.

各测站相应系统可见卫星数可以反映该系统全球覆盖的水平.PDOP值与各测站的可见卫星数及卫星的空间分布密切相关；卫星数越多，卫星几何构型也会更好，PDOP值越小，相应的定位精度越高.图12为各测站上BDS-3、GPS平均卫星可见数与PDOP均值.从图中可知：BDS-3、GPS系统在大部分测站上平均可见卫星数及PDOP值相差不大；但在亚太及周边区域的WUH2、ULAB、GCG0、SG0C、KRGG、ARHT测站上，BDS-3可见卫星数多于GPS系统，PDOP值更小.

图12 各测站上BDS-3、GPS平均卫星可见数与PDOP 均值

图13、图14分别为BDS-3、GPS在各测站上单频、双频无电离层组合伪距单点定位水平及高程方向定位精度.从两个图中可以看出，无论GPS、BDS-3均存在双频无电离层组合定位精度低于单频定位精度的现象.同时也可发现，采用单频定位时，BDS-3定位精度在大部分测站上略优于GPS；采用双频定位时，GPS在大部分测站上优于BDS-3.整体上，BDS-3、GPS系统定位性能大致相当，在全球各区域均能获得水平优于3 m、高程优于4m的定位精度.

图13 各测站上BDS-3、GPS单频定位精度

图14 各测站上BDS-3、GPS双频定位精度

4 结语

BDS-3最后一颗卫星成功发射并正常入轨，标志着BDS-3正式完成建设.本文基于MGEX站观测数据从数据完整率、信噪比、伪距多路径、伪距观测值噪声4个方面详细分析了建成后BDS-3的观测数据质量；同时研究了BDS-3各频段伪距单点定位精度，并与BDS-2、GPS的定位精度进行对比分析.分析发现：

1）BDS-3在各测站上MEO卫星的数据完整率略低于GEO、IGSO卫星,各信号频段的数据完整率相差不大，但B1C、B2a、B2b频段数据完整率略高于其他频段.BDS-3B1I频段伪距多路径值最大，且MEO卫星伪距多路径要大于IGSO、GEO卫星的伪距多路径，但各类型卫星的平均伪距多路径值都在35 cm以下；

2）BDS-3各频段的信噪比均值均在45 dB·Hz以上，在BDS-3 IGSO、MEO、GEO卫星上，B1I、B3I频段信噪比值大小表现出相反关系；且GEO卫星上B1I/B3I的信噪比随着历元出现频繁波动，但BDS-2 GEO卫星没有出现这种现象；BDS-3绝大多数卫星的伪距观测值噪声普遍小于0.3m，且BDS-3 GEO卫星的伪距观测值噪声要明显大于IGSO、MEO卫星的伪距观测值噪声；

3）BDS-3单频定位精度最高的是B3I频段，B1C、B2a、B2b、B2a+b频段定位精度相差不大，B1I频段定位精度最低；且BDS-3 B2a/B3I双频无电离层组合定位精度明显低于B1I/B2a、B1I/B3I组合；

4）BDS-2/BDS-3单频、双频无电离层组合定位精度相较于BDS-2、BDS-3均有不同幅度的提升，但在高纬度地区对BDS-3定位精度提升幅度很小.BDS-3与GPS系统定位性能大致相当，在全球各区域均能获得优于3m的水平、4m的高程定位精度.