新一代北斗試驗衛星偽距質量初步評估

李金龍,唐 斌,郭海榮,何海波,許揚胤

(1.北京衛星導航中心,北京 100094;2.信息工程大學,鄭州 450052)

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新一代北斗試驗衛星偽距質量初步評估

李金龍1,唐 斌1,郭海榮1,何海波1,許揚胤2

(1.北京衛星導航中心,北京 100094;2.信息工程大學,鄭州 450052)

為驗證北斗全球系統衛星新型導航信號體制、星間鏈路和高精度原子鐘等關鍵技術,中國于2015年3月30日至2016年2月1日間發射了5顆新一代北斗試驗衛星。試驗衛星除了播發新的民用信號B1C和B2外,同時還播發B1I和B3I平穩過渡信號。試驗衛星導航信號的偽距質量以及北斗現有工作衛星存在的與高度角相關偽距誤差問題在新一代北斗衛星上是否得到解決是大家普遍關注的問題,將基于北斗試驗衛星實測數據對此進行初步評估與驗證。

北斗;試驗衛星;多徑誤差;新信號

0 引言

按照北斗衛星導航系統“三步走”發展戰略,2012年年底北斗系統已經形成區域服務能力,并計劃在2020年前后,形成全球服務能力[1]。目前(2017年3月1日)北斗系統工作衛星由5顆GEO衛星(編號:1-5)、6顆IGSO衛星(編號:6-10、13)和3顆MEO衛星(編號:11、12、14)組成。其中,13號IGSO衛星為2016年3月30日發射的備份衛星,其交叉點經度為東經95°。自北斗系統2012年12月27日正式運行后,許多學者對北斗系統測距信號質量[2-6]、偽距單點定位精度[7]、載波相位差分定位性能[8-10]、精密單點定位性能[11]等進行了大量評估,比較全面地驗證了北斗系統區域服務性能,然而也發現了北斗衛星信號的一些異常現象。Wanninger發現北斗IGSO和MEO衛星存在由衛星引起的與衛星仰角相關偽距誤差現象[12],其對偽距單點定位性能影響有限,但對精密單點定位和長基線差分定位中模糊度固定存在嚴重影響[13-14]。目前通過建立改正模型,可顯著削弱其影響,然而這個問題有望在新一代北斗全球系統衛星中得到徹底解決。

為驗證北斗全球系統衛星新型導航信號體制、星間鏈路和高精度衛星鐘等關鍵技術,中國于2015年3月30日(I1-S)、7月25日(M1-S和M2-S)、9月30日(I2-S)和2016年2月1日(M3-S)發射了5顆新一代北斗試驗衛星。試驗衛星除了播發新的民用信號B1C和B2外,同時還播發B1I和B3I平穩過渡信號[15]。試驗衛星導航信號的偽距質量以及北斗現有工作衛星存在的與高度角相關偽距誤差問題在新一代北斗試驗衛星上是否得到解決是大家普遍關注的問題,本文將基于北斗試驗衛星實測數據對此進行初步評估與驗證。

1 北斗試驗衛星信號及試驗概況

新一代北斗試驗衛星兼顧新信號體制和系統過渡的驗證任務,除了播發全球系統新體制信號B1C和B2外,同時播發北斗平穩過渡信號B1I和B3I,表1給出了北斗試驗衛星播發各導航信號的中心頻率、調制方式和碼速率等信息[15-16]。作為比對,表1中同時給出了與B1C和B2信號頻率重疊的Galileo系統信號相關信息。

表1 北斗試驗衛星信號概況

試驗使用了成都國星多頻試驗驗證終端和上海司南高精度測量型接收機M300(升級固件后可接收北斗試驗衛星B1I和B3I信號)采集數據,2臺接收機通過一分二功分器連接到深圳華信有限公司生產的高精度測量型天線,數據采集時間為2016年12月8日至14日共7天。試驗數據采集期間,I1-S和M3-S由于未知原因未播發信號,故本次試驗僅使用了I2-S、M1-S和M2-S這3顆試驗衛星的數據。為了比對,試驗還使用了MGEX地面跟蹤網JFNG站的天寶NetR9接收機數據,數據采集時間為2016年10月26日至11月1日共7天。試驗中,各接收機采樣間隔均為30s,高度截止角均設為10°,各接收機接收信號和試驗使用數據情況見表2,表中加粗信號為試驗中使用數據。

表2 試驗中使用接收機的信號覆蓋情況

試驗中多徑觀測值計算公式為

(1)

其中,Px為待評估信號x的偽距觀測量,Lx、Lj和Lk分別為信號x、j和k上的載波相位觀測量,λx、λj和λk為各信號的載波波長。計算B1I和B3I偽距多徑觀測值時,Lj和Lk分別為B1I和B3I載波相位觀測量;計算新信號B1C(E1OS)和B2(E5)偽距多徑觀測值時,Lj和Lk分別為B1C(E1OS)和B2a(E5a)載波相位觀測量。各信號偽距多徑誤差計算公式為

(2)

2 平穩過渡信號

為更好地對比試驗衛星和北斗現有工作衛星B1I和B3I信號的多徑誤差特性,分別選取了與試驗衛星I2-S、M1-S和M2-S星空軌跡類似的3顆北斗工作衛星C10、C12和C11作為參考,國星多頻終端相應的多徑誤差序列見圖1～圖4,圖5和圖6為上海司南接收機多徑誤差序列。表3為國星多頻終端B1I和B3I的偽距多徑誤差統計結果。

Tab.3 RMS values of B1I and B3I multipath error for GUOXING receiver m

注：最后一列僅為2顆MEO衛星數值的平均,未考慮第一列IGSO衛星數值

從圖1～圖4可知,北斗現有IGSO和MEO工作衛星B1I和B3I信號均存在明顯的與衛星高度角相關偽距誤差,在量級上,MEO衛星比IGSO衛星大,B1I信號比B3I信號大;而新一代北斗試驗衛星B1I和B3I信號均未出現明顯的類似現象,圖5和圖6中上海司南接收機偽距多徑結果也進一步確認了這一結論。

從表3可知,新一代北斗試驗衛星B1I、B3I信號的偽距多徑誤差RMS均優于現有北斗衛星相應信號,其中MEO衛星的B1I信號最明顯。對于B1I信號,I2-S多徑誤差RMS相比C10改善約11.2%,M1-S、M2-S相比C12、C11分別改善約29.2%和40.4%,平均改善可達34.8%;對于B3I信號,I2-S多徑誤差RMS相比C10改善僅為1.0%,然而M1-S、M2-S相比C12、C11分別改善約19.5%和12.6%,平均改善也達到了16.1%。由于選擇作為對照的北斗現有衛星與試驗衛星星空軌跡類似且兩類衛星接收機端處理過程相同,因此這些改善主要得益于新一代北斗試驗衛星解決了現有衛星存在的與衛星高度角相關偽距誤差問題。

3 新體制信號

圖7～圖10分別為國星多頻終端北斗試驗衛星I2-S、M1-S和M2-S新體制信號B1C、B2a、B2b以及B2a+b的偽距多徑誤差時間序列圖和偽距多徑誤差隨高度角變化圖。作為對比,同時給出了JFNG站天寶NetR9接收機Galileo系統E08衛星E1OS、E5a、E5b和E5a+b信號的偽距多徑誤差圖。表4為國星多頻終端新體制信號B1C和B2的多徑誤差統計結果。

從圖7～圖9可知,北斗試驗衛星B1C、B2a和B2b信號偽距多徑誤差也均未見明顯的與高度角相關偽距誤差現象。同時,對比北斗2顆MEO試驗衛星M1-S、M2-S的偽距多徑誤差圖與Galileo衛星E08的偽距多徑誤差圖也未見明顯差異。

Tab.4 RMS values of B1C and B2 multipath error for GUOXING receiver m

從圖10可知,北斗試驗衛星B2a+b信號偽距多徑誤差仍存在明顯的系統性偏差,量級為幾個厘米,且I2-S衛星更為明顯。然而,由于僅使用了一種類型接收機一個地點的觀測數據,因此這種系統性誤差是否由衛星引起以及其規律是否與北斗現有衛星存在的與高度角相關偽距誤差類似則還需更多的數據驗證。

從表4可知,3顆北斗試驗衛星B1C偽距多徑誤差RMS約為0.36m,B2a和B2b偽距多徑誤差RMS約為0.24m,B2a+b偽距多徑誤差RMS最小,僅為0.08m。

4 結論

北斗現有衛星B1I和B3I信號存在由衛星引起的與高度角相關偽距誤差現象,而新一代北斗試驗衛星B1I和B3I信號未出現明顯的類似現象,由此可知新一代北斗試驗衛星B1I和B3I信號的偽距質量優于現有北斗衛星相應信號。對于MEO衛星,B1I和B3I信號偽距多徑誤差RMS改善分別達到34.8%和16.1%;對于IGSO衛星,B1I信號偽距多徑誤差RMS改善也可達11.2%。

北斗試驗衛星B1C、B2a和B2b信號也未見明顯的與高度角相關偽距誤差現象,雖然B2a+b信號偽距多徑誤差存在明顯的系統性偏差,但量級僅為幾個厘米。由于僅使用了一種類型接收機一個地點的觀測數據,因此這種系統性誤差是否由衛星引起,其規律是否與北斗現有衛星存在的與高度角相關偽距誤差類似,還需更多的數據驗證。

綜合考慮3顆試驗衛星結果,B1I和B3I偽距多徑誤差RMS分別約為0.29m和0.28m,B1C偽距多徑誤差RMS約為0.36m,B2a和B2b偽距多徑誤差RMS約為0.24m,B2a+b偽距多徑誤差RMS最小,僅為0.08m。

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Evaluation on the Pseudorange Quality of New-generation BDS Experimental Satellites

LI Jin-long1, TANG Bin1, GUO Hai-rong1, HE Hai-bo1, XU Yang-yin2

(1. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China;2. Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China)

In order to carry out the demonstration of new type of navigation signal, inter-satellite link and high precision atomic clock, five new-generation BDS experimental satellites have been launched between March 30, 2015 and February 1, 2016. BDS experimental satellites also transmit legacy B1I and B3I signals besides the new civil B1C and B2 signals. The pseudorange quality of experimental satellites and whether the satellite-induced pseudorange variation existing in the current BDS satellites still exists are in urgent need of evaluation and validation, which are addressed based on the real data of BDS experimental satellites.

BDS; Experimental satellite; Multipath error; New signal

2017-03-15；

2017-04-28

國家自然科學基金(41020144004，41374019，41474015)；國家“863”項目(2013AA122501)。

李金龍(1986-)，男，博士，工程師，主要從事GNSS高精度定位算法研究。E-mail:along0730@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.010

P228

A

2095-8110(2017)04-0066-08