北斗三号与北斗二号卫星信号对比分析
2022-04-14天津七一二通信广播股份有限公司吕琳韩明张建军吕自鹏
天津七一二通信广播股份有限公司 吕琳 韩明 张建军 吕自鹏
随着北斗三号卫星导航系统全面建成并提供全球服务,对北斗二号和北斗三号卫星信号质量的对比分析研究至关重要。本文采集相同测试环境下的北斗二号与北斗三号卫星观测数据,针对B1、B3、B1c、B2a频点从卫星数、天球路径图、可用率、仰角分布等方面完成分析与评估。结果表明,与BDS-2相比,BDS-3星座更加完善,数据可用率均在95%以上,信号质量较好。分析结果为北斗三号在工程应用中提供参考依据。
目前由我国建成的独立自主、开放兼容的北斗三号全球卫星导航系统正式开通,为全球提供服务。北斗全球卫星导航系统空间段由若干地球同步轨道卫星(GEO)、倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和中圆地球轨道卫星(MEO)三种轨道卫星组成混合导航星座。北斗二号基本星座采取5GEO+5IGSO+4MEO的形式;北斗三号采取3GEO+3IGSO+24MEO的星座构成,并将视情部署在轨备份卫星,卫星与卫星之间具备通信能力,可以在没有地面站支持的情况下自主运行。北斗三号卫星组网从区域走向全球,而且在载荷、星间链路、激光通信等方面也有进步,北斗三号增加了卫星搜救功能和全球位置报告功能等[1]。
北斗二号在B1、B2和B3三个频段提供B1I、B2I和B3I三个公开服务信号。北斗三号新增B1c、B2a、B2b(精密星历),保留北斗二号B1I、B3I,B2I被B2a取代,提供B1I、B3I、B1c、B2a和B2b五个公开服务信号,其中B1c和B2a信号在北斗三号MEO卫星和IGSO卫星上播发[2-3]。
为了充分分析北斗二号和北斗三号卫星的信号数据质量,本文在同一时间,同一地点,同一测试环境下采集了监测站24小时的数据,从卫星数、天球路径图、可用率、仰角分布等方面进行了充分的对比分析,为系统全面利用北斗三号卫星导航信号提供技术参考和依据。
图1(a) BDS-2卫星数量监测统计图Fig.1 (a) Statistical map of BDS-2 satellite number monitoring
图1(b) BDS-3卫星数量监测统计图Fig.1(b) Statistical map of BDS-3 satellite number monitoring
1 卫星数
北斗二号共发射20颗卫星,北斗三号共发射35颗卫星。通过数据分析监测站跟踪的卫星数,如图1所示,BDS-2号可跟踪到的卫星数量为10~16颗;北斗三号提供服务后,BDS-3可跟踪到的卫星数量明显增多,为18~26颗。一天内BDS-2卫星数平均在12颗左右,BDS-3卫星数平均在22颗左右,数量翻倍。图中x轴为观测时间,y轴为跟踪的卫星个数。
2 卫星天球路径图
如图2所示,从可用卫星的天球路径图可以看出[4],与北斗二号卫星导航系统相比,随着北斗三号轨道运行可用卫星数目增多,星座更完善,卫星全球网已经建成,已为全球提供服务。x轴为卫星方位角、y轴为卫星高度角。
3 可用率及仰角分布
数据可用率是指参与计算卫星总历元数与观测到的总历元数之比[5]。如图3和表1所示,评估了BDS-2和BDS-3卫星信号观测值(伪距、载波相位、多普勒、信号强度)的观测卫星数、可用率及卫星仰角分布情况。
表1 卫星信号观测值、可用率Tab.1 Satellite signal observation value and availability
B1、B3频点可观测卫星数比B1c、B2a频点可观测卫星数稍多,如图3(a)所示。
图3(a) 观测频点及卫星数Fig.3 (a) Frequency points and number of satellites observed
从北斗系统数据可用率上看,B1、B3,B1c和B2a可用率均达到90%以上,B1c可用率最高,B2a比B1、B3可用率稍低,如图3(b)所示。
图3(b) 可用率Fig.3(b) Availability
从卫星仰角分布上看,北斗卫星导航系统大部分卫星仰角分布在20°~70°之间,如图3(c)所示。
图3(c) 卫星仰角分布Fig.3(c) Elevation distribution of satellite
4 结论
图2(a) BDS-2 卫星天球路径图Fig.2 (a) Celestial path map of BDS-2 satellite
图2(b) BDS-3 卫星天球路径图Fig.2 (b) Celestial path map of BDS-3 satellite
北斗卫星信号质量是影响服务质量的关键因素,是系统运行性能的体现,本文通过采集北斗二号和北斗三号的实际观测数据,从卫星数、天球路径图、可用率、仰角分布等方面进行了分析,结果表明:
(1)BDS-3比BDS-2可视观测卫星数增多,星座更加完善,可有效改善卫星星座几何构型;
(2)数据可用率,B1、B3,B1c和B2a可用率均达到90%以上,B1c可用率最高,B2a比B1、B3可用率稍低,可用率低可能与接收机硬件设备和测试环境有关,观测数据不够稳定;
(3)BDS-3与BDS-2仰角分布基本一致,大部分卫星分布在20°~70°之间;BDS-3与BDS-2 B1、B3、B1c和B2a频点载噪比均在40dB-Hz以上,信号质量较好。
引用
[1] 杨元喜,许扬胤,李金龙,等.北斗三号系统进展及性能预测:试验验证数据分析[J].中国科学:地球科学,2018,48(5):584-594.
[2] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1C(1.0 版)[S].2017.
[3] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B2a(1.0 版)[S].2017.
[4] 刘季.北斗GEO卫星轨道算法研究[J].测绘地理信息,2012,37(5):33-36.
[5] 陈良,耿长江,周泉.iGMAS GNSS采集设备数据质量比较分析[C]//第六届中国卫星导航学术年会论文集—S06北斗/GNSS测试评估技术,2015:60-63.