北斗三号卫星新信号数据质量分析

2021-09-06李树文王潜心龚佑兴

合肥工业大学学报（自然科学版） 2021年8期

李树文, 王潜心, 龚佑兴

(1中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州 221116; 2.中国矿业大学自然资源部国土环境与灾害监测重点实验室,江苏徐州 221116; 3.国防科技大学军事基础教育学院,湖南长沙 410073)

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是中国完全独立自主研制开发的全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS),与美国的GPS、欧洲的Galileo及俄罗斯的格洛纳斯并称为全球四大导航系统,也是GNSS的重要组成部分之一[1]。我国卫星导航系统的发展遵循三步走的发展战略,北斗三号系统(BDS-3)作为三步走战略的最后一步,有着重大意义[2]。BDS-3由27颗中圆地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)卫星、3颗倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)卫星及5颗地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星组成,可以面向全球范围提供服务,具有高精度、高可靠、高保险、多功能等特点[3]。

为了进一步改善北斗导航卫星信号的性能,提高信号利用效率、兼容性及互操作性,BDS-3在全球服务范围内,在保留了BDS-2卫星B1I、B3I信号的基础上,新增了B1C和B2a信号,实现了信号性能提升,也考虑了与其他导航系统的兼容与互操作,其中,B1C和GPS的L1、Galileo的E1,B2a与GPS的L5、Galileo的E5a兼容互操作[4-5]。文献[6-7]利用国际GNSS监测评估系统(International GNSS Monitoring & Assessment System,iGMAS)数据对BDS-3卫星进行精密定轨和钟差分析,并与BDS-2作了对比分析;文献[8]对BDS-3试验卫星观测数据进行分析,发现其相比于BDS-2有了进一步的提升;文献[9]研究发现BDS-3卫星观测质量与GPS处于同一水平;文献[10]对香港的北斗伪距和载波相位数据进行评估,发现IGSO卫星和MEO卫星在伪距观测值多路径效应方面比GEO卫星变化明显;文献[11]对BDS-3卫星轨道性能进行分析,发现BDS-3在测距精度和卫星轨道精度方面优于BDS-2;文献[12]研究发现BDS-3的12颗MEO卫星工作性能相当。

目前BDS-3完成组网不久,相关的研究分析主要是针对于BDS-3和BDS-2的老信号,而针对BDS-3新信号B1C和B2a的研究较少[9,12-13]。本文利用iGMAS跟踪站数据,评估BDS-3 MEO卫星的性能,重点分析其B1C、B2a频点数据质量,与GPS和Galileo对比,更加客观地分析BDS-3新信号性能水平。

1 数据获取

iGMAS是中国在国际上发起的全球连续监测评估系统,在2011年6月首次被提出,其主要目的是建立全球信号跟踪网络,监控GNSS的服务性能和信号质量,以向全球用户提供高质量服务。截至目前,iGMAS已在海内外建立24个跟踪站,本文选取其中19个能接收到BDS-3新信号的测站,测站接收机、天线及数据类型信息见表1所列。本文选择2020年4月1日至10日共10 d(年积日91～101 d)的19个iGMAS测站的观测数据,采用自主编写的数据质量分析软件[14],从数据完整率、信噪比、多路径效应和电离层延迟变化率等4个方面对9颗BDS-3卫星(C19～C22,C27～C30,C32)新信号B1C和B2a的数据质量进行评价分析,并通过与GPS L1/L5、Galileo E1/E5a对比,进一步验证BDS-3卫星的性能水平。

表1 iGMAS测站接收机、天线及数据接收类型信息

2 数据完整率分析

数据完整率是衡量接收机观测文件可用性和完好性的重要指标之一,主要检验数据丢弃观测历元数及相关丢失情况,反映了接收机接收数据性能的优劣,也可以体现周围环境对数据接收的影响。数据完整率越大,表明数据质量越高。数据完整率定义为:

(1)

其中:i、j分别为频点号和卫星号;H、R分别为完整观测值数量和理论观测值数量。在本文中,完整观测值是指第j颗卫星的第i个频点在某一历元同时具有伪距、载波相位、多普勒频移及信噪比观测值,卫星高度角不小于截止高度角。理论观测值可以通过卫星高度角是否大于截止高度角来判断。在大部分情况下,为了更加全面地体现接收机接收数据的完整率,会将截止高度设为0°。19个iGMAS测站9颗BDS-3卫星在年积日92～101 d的B1C和B2a完整率如图1所示。从图1可以看出:B1C频点各站间的完整率还是存在较大差异的,同一测站不同卫星间也是存在差异的,CHU1(5)和GUA1(9)站相对表现较差,平均完整率在90%左右,其他各站的完整率能达到95%左右;对于B2a频点,除了CHU1(5)站表现较差,平均完整率仅在60%～80%,其余各站的完整率表现能够体现BDS-3卫星具有较好的一致性。B1C、B2a频点分别有83%、90%的数据完整率在95%以上,从总体上看,B2a在完整率方面比B1C略优一些。

图1 年积日 92～101 d各测站观测数据完整率均值

为了更好地评估BDS-3新频点卫星数据质量,将GPS的L1/L5、Galileo的E1/E5a及BDS-3的B1C/B2a数据完整率进行统计对比,PETH站年积日92～101 d 3个系统的数据完整率对比如图2所示。

图2 PETH站年积日92～101 d GPS/BDS/Galileo数据完整率

由图2可知: GPS的L1和L5频点最为稳定,并且其完整率都在99%以上;B1C和B2a次之,两者的变化幅度都不大,基本在97%～98%之间;而Galileo的E1最差,具有明显的波动性,浮动范围为86%～96%,E5a相比之下变化较小,在94%～98%之间。

3 信噪比分析

信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)是指接收机载波信号功率与噪声功率的比值,也称为载噪比,单位为dB-Hz,一般用来反映信号质量的高低,是载波相位观测值的重要质量指标之一,可以直接从观测文件中获取,SNR越大,表明信号越强,观测质量越高。计算年积日92～101 d 19个测站B1C和B2a频点的SNR,对其取平均值,结果见表2所列，如图3所示。

图3 各测站B1C和B2a频点SNR

表2 BDS-3卫星新信号SNR均值单位：dB-Hz

各站B1C频点的SNR存在一定的差异,除了CHU1(5)和GUA1(9)站平均值在43 dB-Hz左右,其余的基本上都在44 dB-Hz以上,但BDS-3卫星间具有良好的一致性。B2a频点整体差异性较小,整体范围在42～46 dB-Hz之间,在同一测站各颗卫星差异较小,一致性较高。从表2可以看出,在SNR方面,B2a略优于B1C。

为了更好地体现B1C和B2a频点的性能,将B1C/B2a、L1/L5及E1/E5a信号的SNR值按高度角统计取均值,PETH站在年积日第99天各信号的SNR值如图4所示。各信号的SNR与高度角呈正相关,即随着高度角增加,SNR增大,并且逐渐趋于稳定;B1C优于L1和E1,有2 dB-Hz左右的差距,B1C在低高度角大约为44 dB-Hz,在天顶方向达到最大值,约为50 dB-Hz;L5优于B2a和E5a,有约2 dB-Hz的差距,L5在天顶方向达到最大值,为53 dB-Hz左右,而B2a、E5a基本在一个量级上,浮动范围在40～50 dB-Hz。

图4 PETH站年积日第99天各信号的SNR

4 多路径效应分析

因为多个路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应(multipath effect,MP)。MP对GNSS观测精度有着严重影响,也会引起信号的失锁,是导航定位服务中一个重要误差源。所以通过分析多路径误差来检验观测数据的质量显得尤为重要。伪距多路径误差呈周期性变化,含随机噪声,且MP无法和噪声完全分开,因此本文考虑的MP包括了噪声的影响。双频伪距观测值的多路径误差计算,可以采用伪距和载波相位观测值线性组合,消除低阶电离层和对流层延迟的影响,则卫星某频点的伪距观测值MP[15]可以表示为:

(2)

其中:下标a、b(a≠b)表示卫星的不同信号;M为伪距多路径误差;P、φ分别为伪距观测值和载波相位观测值;λ为对应频率的波长;α=fa/fb,f为载波的频率;B为包括整周模糊度等的误差。2020年年积日92～101 d,19个测站9颗BDS-3卫星B1C、B2a频点的伪距MP均方根(root mean square,RMS)值如图5所示。

图5 各测站B1C和B2a的伪距MP RMS

B1C不同站点之间存在较大差异,其中最大值为0.54 m,最小值为0.10 m,0.30 m以下的MP RMS值占比为74%,BRCH(2)站和LPGS(14)站表现较差,而其余站的MP RMS值在平均值左右,各卫星之间也相差不大;B2a频点与B1C频点相比,各站变化较小,最大值为0.45 m,最小值为0.11 m,0.30 m以下的MP RMS值占比达到了78%,除了BRCH(2)和RDJN(16)站MP RMS值较大外，其余站的平均值基本在0.30 m以下。由上述分析及表1可知,不同环境对接收机性能的影响较大,GNSS-GGR对B1C的接收能力较差。19个测站MP RMS值的平均值见表3所列。由表3结果及上述分析可知,B2a和B1C在抑制MP方面差异较小,B2a略优于B1C。

表3 BDS-3卫星新信号伪距MP RMS均值单位：m

PETH站年积日第99天各卫星信号的伪距MP RMS值与高度角的变化关系如图6所示。

图6 PETH站年积日第99天各信号的伪距MP RMS

图6中,从整体趋势看,各卫星信号的MP RMS值与高度角呈负相关,随着高度角增加而减小。在同一高度角时,L1优于B1C和E1,在低高度角时差距较大,达到0.20～0.30 m,随着高度角增加,差异逐渐减小,在天顶方向达到0.10 m左右;E5a优于L5和B2a,但从总体上看,B2a和E5a相差不大,且随着高度角增加而减小,在天顶方向相差为0.05 m。由此可知,在MP方面,BDS新信号与GPS、Galileo重叠频率已经处于同一水平上。

5 电离层延迟分析

(3)

其中,tk为第k个历元的观测时刻。

9颗BDS-3卫星19个测站在年积日92～101 d B1C和B2a频点的IOD RMS值如图7所示。从图7可以看出,B1C频点不同站点之间的差异较小,相同测站不同卫星间的差异也是比较小的,这也表明了BDS-3卫星的一致性,其IOD RMS平均值在0.5 m/min左右;B2a频点不同测站间差距较大,有部分测站IOD RMS平均值在1.0 m/min左右,但是同一测站不同卫星间的差异也是较小的。19个测站IOD RMS平均值见表4所列。

图7 各测站B1C和B2a频点的IOD RMS

表4 BDS-3卫星新信号IOD RMS均值

对表4及图7进行分析可知,显然在削弱电离层延迟方面,B1C频点更优于B2a频点。将卫星信号按高度角分段计算IOD RMS,PETH站在年积日第99天不同信号IOD RMS与高度角的变化关系如图8所示。

从图8可以看出,两者整体呈负相关趋势。在高度角较小时,E1优于L1和B1C,分别能达到0.07、0.08、0.12 m/min,随着高度角增加,三者IOD RMS值减小,并最终在天顶方向趋于相同,为0.01 m/min;在高度角较小时,E5a优于L5和B2a,随着高度角增加,B2a下降的速度最快,一直到天顶方向,三者基本在同一水平,达到0.01～0.02 m/min。