伽利略衛星導航系統信號質量及定位性能分析

周星宇,陳華,安向東

(1.武漢大學 衛星導航定位技術研究中心,湖北 武漢 430079；2.武漢大學 測繪學院,湖北 武漢 430079)

0　引　言

伽利略(Galileo)是歐盟針對民用建設的全球衛星導航系統,星座設計包括24顆運行衛星和6顆備用衛星,平均軌道面高度23 222 km,運行周期為14 h,均勻分布在3個軌道面,軌道平面與地球赤道夾角為56°,軌道重復周期為10天,可在全球范圍內提供可靠的高精度導航、定位和授時服務,并可實現與GPS等系統的互操作[1]。截止2016年12月15日,在軌運行18顆衛星,歐盟宣稱已初步具備全球定位能力[2]。

信號質量和定位性能等是衡量全球衛星導航系統(GNSS)服務質量的重要指標。盡管Galileo是新發展的衛星導航系統,但已有許多學者開展了相關研究,并取得了一些成果[3-14]。但是,大部分研究進行時系統未提供全球服務,采用的觀測數據較少,且研究多基于雙頻數據。本文利用最新的觀測數據,對Galileo的載噪比、偽距多路徑誤差及雙/三頻的精密單點定位(PPP)精度進行了研究。

1　分析方法

1.1　載噪比

衛星信號的載噪比(CNR)是度量衛星信號質量可靠性的一個重要指標,指接收機輸入端的已調制的載波信號平均功率與載波噪聲平均功率的比值,載噪比越大可以反映信號的通信質量越好[15]。載噪比表達式如下:

C/N0=10lg(C/kTB),

(1)

式中:C為信號強度(dB);N0為不包含接收機本身影響的噪聲強度;k為玻爾茲曼常數;T為溫度；B為等效噪聲帶寬。載噪比由觀測文件得到,單位為dBHz.

1.2　偽距多路徑誤差

聯系人: 周星宇 E-mail: zhouxygps@whu.edu.cn

衛星信號的多路徑誤差是指測站附近反射物反射的衛星信號進入天線后與直接來自衛星的信號產生干涉,從而使觀測值偏離真值。常用的計算多路徑延遲的模型如下[16]:

(2)

式中：P1/P2和Φ1/Φ2為兩個頻率上的偽距和以周為單位的載波相位觀測值;MP1和MP2為偽距多路徑誤差;f1和f2為載波的頻率;NP1和NP2為兩個組合中的模糊度參數。通常,在連續觀測無周跳的情況下組合模糊度不變,因此對其多個歷元取平均作為真值,代入式(2)即可得到兩個頻率上的偽距多路徑誤差。

1.3　精密單點定位方程

本文采用雙/三頻無電離層組合觀測值進行精密單點定位,方程為

(3)

式中:P12和P13分別為第1、2頻率和第1、3頻率的偽距無電離層組合觀測值;Φ12和Φ13分別為以周為單位的第1、2頻率和第1、3頻率載波相位無電離層組合觀測值;λ12和λ13分別為第1、2頻率和第1、3頻率無電離層組合波長;ρ為衛星與接收機間幾何距離;c為光速;dts為衛星鐘差參數;dtr為接收機鐘差參數;T為對流層延遲參數;ε(P12)和ε(P13)分別為第1、2頻率和第1、3頻率偽距觀測噪聲；B12和B13分別為第1、2頻率和第1、3頻率無電離層組合模糊度；δds和δdr分別為第1、3頻率相對于第1、2頻率衛星端和接收機端的無電離層組合偽距頻間偏差;ε(Φ12)和ε(Φ13)分別為第1、2頻率和第1、3頻率相位觀測值的觀測噪聲。其中,接收機端和衛星端相位頻間偏差在毫米級,對厘米級定位結果影響不大,此處忽略[17];δdr、δds在一天之內作為常數進行估計,且為避免法方程秩虧,估計δds附加零均值條件約束。

2　數據來源

隨著GNSS的快速發展,為了分析多系統特性,促進多系統融合精密數據處理技術的發展,國際GNSS服務(IGS)開始著手建立能夠跟蹤和接收所有可用GNSS衛星信號(包括GPS、GLONASS、Galileo、北斗等衛星導航系統)的基準站網MGEX(Multi-GNSSExperiment)。基于MGEX,IGS會適時發布Galileo軌道和鐘差產品。以2017年年積日(DayOfYear,DOY)057日為例,提供MGEX服務的測站有154個,支持Galileo的有131個,其中,同時支持E1/E5a的有130個,支持E1/E5b的有101個,支持E1/E5/E5a/E5b的有93個。如圖1所示,圖中圓點表示全球MGEX站分布,其中淺色和深黑色圓點表示MGEX站中支持Galileo的測站,實驗從中選取了藍點所示的16個分布均勻的且同時支持E1/E5/E5a/E5b信號測站,采用其2017年年積日057～077日連續三周采樣間隔為30s的觀測數據,對系統性能和定位精度進行分析。

3　實驗結果及分析

本文首先基于GalileoE1、E5a、E5b、E5以及GPS系統L1、L2、L5多頻觀測數據,對Galileo與GPS系統的載噪比和多路徑進行了分析,然后基于現有數據對現階段Galileo單系統的雙頻和三頻的PPP浮點解定位精度進行了評價。

3.1　載噪比

對選取的16個測站進行Galileo信號載噪比分析,同時分析GPS信號作為對比。以ZIM2站為例,選取所有的觀測數據進行統計,圖2是057-063天Galileo與GPS系統7種不同信號載噪比隨高度角和年積日變化的情況?？梢钥闯?隨著高度角的增高,載噪比增大,總體變化范圍在30 ～60dBHz以內,Galileo載噪比從高到低依次是E5、E5a、E5b和E1,其中E5在最高時達到60dBHz,E5a與E5b載噪比大小相當,在最高時達到57Hz,E1最高為55dBHz;與GPS相比,E1與L1整體水平相近,最大值比L1小2dBHz,E5a與E5b大小與L5相近,均超過L2,E5大于GPS所有頻率。所有測站得到的結果相似。

從時間上看,Galileo信號載噪比在一周內的變化比較穩定,每天相同高度角平均載噪比變化互差不超過2dBHz.有異常出現在E1信號059日高度角大于50°時,載噪比最小值低至40dBHz,對應為E19號衛星,與文獻[18]中現象一致。Galileo信號載噪比整體強于GPS信號,這可能是由于Galileo衛星信號播發功率較GPS更高,并且在信號調制中采用BOC的調制方式,對BPSK進行二次擴頻,信號抗干擾能力更強,更加易于捕獲,因此接收到的信號質量更好。

3.2　多路徑分析

多路徑誤差是在信號傳播過程中,經由不同長度兩路徑的無線電波間互相干擾形成定位誤差,目前沒有很好的模型來消除多路徑誤差,因此在剔除大部分系統誤差后,殘余的多路徑誤差是影響GNSS定位主要的誤差源。利用公式(2)對不同頻率的Galileo和GPS信號進行組合,可以得到各信號的多路徑誤差。

使用057到077日采樣間隔為30s的觀測數據進行統計,以ZIM2站為例,圖3(a)和圖3(b)分別為ZIM2站Galileo和GPS不同頻率信號多路徑誤差的統計圖和分布圖?？梢钥闯?Galileo和GPS七種信號的多路徑誤差從小到大依次是E5、E1、L1、E5a、E5b、L2和L5,總體來說隨著高度角的升高,多路徑誤差逐漸減小,直至趨于平穩。統計所有結果,Galileo不同信號的偽距多路徑誤差分布符合零均值正態分布,最小的是E5信號,中誤差為0.2m,幅值不超過1m;其次是E1信號,中誤差為0.29m,幅值不超過2m;E5a和E5b多路徑誤差相當,約0.45m,極個別誤差可達2～3m.Galileo信號與GPS相比,E1比L1更優,E5a、E5b、L2和L5誤差水平相當,E5則優于所有GPS信號,誤差大小約為L2和L5的一半,所有測站結果一致。

Galileo衛星的偽距多路徑誤差更小,可能由于Galileo衛星的衛星鐘性能優于GPS衛星,導致Galileo衛星的偽距觀測值精度更高。當衛星高度角小于7°時,高度角的升高使得反射信號更容易進入接收機,多路徑誤差隨之增大,臨界高度角大小與測站環境相關;衛星高度角在7°到40°之間時,大氣延遲迅速減小,觀測值質量提高,多路徑誤差逐漸減小;當衛星高度角大于40°時,偽距多路徑變化已經不大,基本剩余接收機噪聲[19]。

3.3　精密單點定位

為比較雙頻和三頻Galileo系統的定位精度,本文進行了PPP實驗。精密衛星鐘差和軌道由除16個實驗測站外全球所有支持E1、E5a和E5b信號的MGEX站觀測數據自行計算得到,由此保證計算中軌道和鐘差以及軟件的自洽性;對流層延遲采用分段常數的方法改正,每2h估計一個參數;接收機天線相位中心采用GPS的天線相位中心偏差代替。最終,實驗以GPS雙頻靜態解作為坐標參考值,來分析和評價單Galileo定位結果的外符合精度,并以Galileo單系統連續21天靜態解的平均值作為參考值,用以評價內符合精度。

Galileo定位結果的內、外符合精度分別如圖4(a)、4(b)所示。從這些圖可以看出,Galileo單系統PPP單天解的精度在毫米級到厘米級。其中雙頻定位內符合精度在E、N、U方向上分別為1.6cm、0.6cm和2.3cm,外符合精度在E、N、U方向上分別為1.7cm、1.0cm和3.7cm.外符合精度的略低于內符合精度,尤其是在高程方向,這可能主要是由于接收機天線相位中心引起的。而三頻定位精度較雙頻略高,但提升幅度并不明顯,可能是由于三頻觀測值并沒有改善衛星的幾何結構。

4　結束語

Galileo系統是目前四大GNSS之一,并已初步開始提供服務。本文利用ZIM2等16個全球均勻分布的MGEX站連續21天的多頻觀測數據,對Galileo在軌衛星的載噪比、多路徑效應以及精密單點定位精度進行了研究和分析。結果表明,Galileo信號中E5信號多路徑、載噪比明顯優于E1、E5a和E5b,后三者載噪比和多路徑的表現比相同或相近頻率的GPS信號相當或更優;精密單點定位結果發現,雙頻定位結果在厘米級,三頻定位結果略優于雙頻。雖然,目前Galileo定位結果還不及GPS,但隨著Galileo系統的建設和完善,可用的衛星和地面跟蹤站的增多,其定位精度和性能將得到進一步的提升與改善。

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