北斗全球試驗衛星觀測數據質量分析

何義磊，王志文，王潛心，毛 亞

(1.中國礦業大學國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；3.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222)

中國自主研發、獨立運行的北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是全球衛星導航系統的重要組成部分[1]。其建設歷程分為3個階段，2000年末，初步建成北斗導航實驗系統(BDS-1)，向中國境內提供服務；2012年末，實現擴展的區域導航系統(BDS-2)，能夠為亞太地區提供服務；計劃在2020年左右，實現全球組網(BDS-3)，正式向全球用戶提供服務[2]。2015年3月30日，第一顆新一代的北斗導航衛星的成功發射標志著BDS由區域擴展系統向全球組網的開始，截至2017年10月，已成功發射2顆IGSO和3顆MEO衛星，其發射情況見表1[3]，2017年10月2日的C31—C34衛星星下點軌跡如圖1所示。為了能夠提高與其他導航系統的兼容性和互操作性，BDS-3在播發B1I(1 561.098 MHz)、B3I(1 269.520 MHz)信號基礎上增加了新的信號:B1C(1 575.42 MHz)、B2a(1 176.45 MHz)、B2b(1 207.14 MHz)[4]。

北斗新型試驗衛星的發射是為了驗證新的衛星信號、星間鏈路和不同衛星平臺等新技術，其觀測數據質量直接影響到北斗導航系統全球化的進程。已有諸多學者對BDS-2衛星觀測數據進行了質量評估，文獻[5]從多路徑效應、信噪比等方面對數據進行了分析，結果表明BDS的精度略低于GPS；文獻[6]從可用性、完整性和定位精度對香港的偽距和載波相位實測觀測值進行了質量評估，結果顯示GEO衛星的偽距觀測值多路徑和噪聲小于1.5 m，而IGSO和MEO衛星更為明顯。但對BDS-3試驗衛星的研究還相對較少，特別是在較全面地對其觀測數據質量進行評估方面，文獻[2]從載噪比(C/N0)和偽距多路徑等方面對C32-C34的5種信號進行了評估，結果表明BDS-3的觀測數據質量同GPS L1/L2/L5和Galileo E1/E5a/E5b相當。因此，本文從信噪比、數據完整率、多路徑效應和電離層延遲等方面，全面系統地對BDS-3新型試驗衛星觀測數據進行質量分析，以方便對新型試驗衛星性能的評估。

表1 北斗三代試驗衛星狀態[3]

圖1 2017年10月2日北斗全球試驗衛星星下點軌跡

1 數據獲取

目前，由中國組建的國際GNSS監測評估系統(International GNSS Monitoring & Assessment System,iGMAS)跟蹤網和少數多模GNSS實驗(The Multi-GNSS Experiment,MGEX)跟蹤網可接收到BDS-3試驗衛星觀測數據，但絕大多數接收機只能接收BDS-3的B1和B3雙頻觀測數據，因此本文選取了2017年10月1日(年積日274)—10月21日(年積日294)的16個iGMAS跟蹤站和6個MGEX跟蹤站的多模GNSS觀測數據(測站分布如圖2所示)，使用中國礦業大學北斗數據處理與分析中心自主研發的多系統GNSS觀測數據質量分析軟件[7]，基于GNSS雙頻觀測數據，從信噪比、數據完整率、多路徑效應和電離層延遲等評估指標對北斗新型試驗衛星B1和B3雙頻觀測數據進行質量分析。為了直觀地對比分析，本文將上述衛星分為8類：GPS(G01—G32)、GEO(C01—C05)、IGSO(C06—C10)、MEO(C11—C14)、C31、C32、C33和C34。通過與GPS和BDS-2衛星數據質量進行對比分析，得到新型試驗衛星的性能指標和提升水平。

圖2 選用的iGMAS和MGEX測站分布

2 數據質量評估指標

2.1 數據完整率

數據完整性是衡量觀測數據的重要指標，是指觀測時段中數據的可用性和完好性，不僅反映了觀測環境的影響程度，也體現了接收機性能的優劣[8]。將數據完整性Int定義如下

(1)

式中，Have(i)為第i顆衛星的完整觀測值數目；Expert(i)為第i顆衛星理論觀測值數目。完整觀測值是指一顆星在一個歷元的觀測值具有P1或C/A碼數據、P2或C2碼數據、B1和B3載波相位數據[9-10]。

計算2017年年積日274—294的22個測站GPS和BDS的數據完整率，為了驗證對B1I和B3I信號的接收情況，本文設置高度截止角為0，將衛星按上述分類，對每個測站21 d的結果取平均值，如圖3所示。

圖3 各測站衛星的數據完整率

從圖3可以看出，BDS試驗衛星的數據完整性最大為100%，最小為89.34%，其中88.64%的IGSO試驗衛星(C31、C32)數據完整性大于95%，95.46%的MEO試驗衛星(C33、C34)數據完整性大于95%。數據完整性較差的現象集中在TONG、ABJA和ICUK測站，但3個測站的接收機和天線類型并不相同，可能是由于測站周圍環境影響所致。與同源站的BDS-2和GPS對比，BDS-3試驗衛星與同類型的BDS-2數據完整率相當，且多數情況下略優于BDS-2和GPS。

2.2 信噪比

信噪比(SNR)是接收機的載波信號強度與噪聲強度的比值，單位為dB-Hz。主要受衛星發射設備增益、接收機中相關器的狀態、衛星與接收機間的幾何距離，以及多路徑效應等因素的共同影響，它不僅能反映接收機的性能，也能反映出衛星信號質量[8,11]。信噪比值越高，信號質量越好，觀測精度越高。通常可以從觀測文件中直接獲取每顆衛星各個歷元的信噪比大小。

計算2017年年積日274—294的22個測站的GPS和BDS的信噪比，按上述衛星分類，對每個測站21 d的結果取平均值，如圖4所示。由于篇幅有限，僅選取HMNS測站來表現試驗時段內各類衛星信噪比的變化情況，如圖6所示。其中SNR1和SNR3分別表示BDS B1和B3頻點的信噪比或GPS衛星L1和L2頻點的信噪比。

圖4 各類衛星的信噪比

圖5 各類衛星的多路徑誤差

從圖4可以看出，試驗衛星的信噪比均值高于43 dB-Hz，C31、C32的信噪比較北斗工作IGSO衛星信噪比有小幅增長，僅C31的B1頻點的信噪比略低于北斗工作IGSO衛星。而C33、C34的信噪比較北斗工作MEO衛星信噪比更高，說明這兩顆MEO試驗衛星載波觀測值噪聲更小，質量更優。可以看到GPS的SNR1明顯大于SNR3，而BDS是SNR3略大于SNR1。從圖6可以看出，HMNS測站觀測到的各類衛星的SNR1和SNR3變化具有一致性，其中GEO和IGSO類型衛星SNR較為恒定，而MEO衛星SNR有明顯的周期性，周期約為7 d，并且更直觀地體現了C31—C34的SNR1和SNR3均優于BDS-2工作衛星。

圖6 HMNS測站年積日274—294的SNR1和SNR3

2.3 多路徑效應

衛星信號在傳播過程中受觀測環境的影響會產生多路徑效應，偽距的多路徑誤差最大可達0.5個碼元寬度，并且具有周期性和隨機噪聲的特性，無法與噪聲完全分開[9]，因此本文主要考慮偽距多路徑和噪聲的影響。雙頻的偽距觀測值多路徑效應通常可以通過偽距和載波相位觀測值的線性組合分別求得[8]。某顆衛星某歷元的多路徑誤差可表示為[11-12]

(2)

式中，MP1和MP3分別表示B1/B3波段上的偽距和載波相位觀測值的多路徑效應組合；Pi為偽距觀測值；λi為對應頻率的波長；φi為載波相位觀測值；α=(f12/f32)，fi為載波相位觀測值的頻率；BPi包含了相位模糊度和頻間偏差。

本文采用移動平均值法[8]計算2017年年積日274—294的22個測站的GPS和BDS的偽距多路徑誤差，并計算其均方根RMS。按上述衛星分類，對每個測站21 d的結果取平均值，將各個測站的多路徑誤差RMS取平均值繪制成圖5。選取HMNS測站來表現試驗時段內各類衛星多路徑誤差RMS的變化情況，如圖7所示。其中MP1-RMS和MP3-RMS分別表示BDS B1和B3頻點的多路徑誤差RMS或GPS衛星L1和L2頻點的多路徑誤差RMS。

圖7 HMNS測站年積日274—294的MP1和MP3

從圖7可以看出，各類衛星的RMS均值都在0.35 m以下，試驗衛星多路徑誤差RMS最大達0.770 m，MP1-RMS和MP3-RMS小于0.5 m的分別占88.64%和96.59%，大于0.5 m的現象集中在TONG、CLGY和ICUK測站，與數據完整性指標反映相似，表明這些測站周圍環境較差。C31、C32的多路徑誤差與北斗工作IGSO衛星精度相當，而C33、C34的多路徑誤差較北斗工作MEO衛星有明顯的減小，表明這兩顆MEO試驗衛星偽距觀測值質量更優。可以看到GPS的MP1-RMS略小于MP3-RMS，而BDS的MP1-RMS明顯大于MP3-RMS，表明GPS的L1頻點與BDS的B3頻點偽距觀測值質量更佳，抑制多路徑效應能力更強。HMNS測站觀測到的各類衛星的MP1-RMS和MP3-RMS變化具有一致性，其中IGSO類型衛星多路徑誤差較為穩定，而MEO衛星多路徑誤差有明顯的周期性，周期約為7 d。

2.4 電離層延遲及其變化率

電磁波在通過電離層時會受離子影響產生延遲，假設兩個頻率的載波在大氣中的傳播路徑是相同的，則兩個頻率的電離層延遲可表示為[13]

(3)

式中，Ii為電離層延遲誤差；Bi為載波相位觀測值，其他參數同上述相同。

以B3頻率為例，定義電離層延遲變化率為[14-15]

(4)

式中，tj為第j個歷元的觀測時刻。當IOD(3)≥4 m/min時，認為電離層發生跳變。

計算2017年年積日274—294的22個測站的GPS和BDS的電離層延遲變化率的均方根RMS，按上述衛星分類，對每個測站21 d的結果取平均值繪制成圖8。選取GUA1測站來表現試驗時段內各類衛星電離層延遲變化率RMS的變化情況，如圖9所示。

圖8 各測站衛星的電離層延遲RMS

圖9 GUA1測站年積日274—294的IOD-RMS

從圖8可以看出，C31—C34試驗衛星電離層延遲變化率的均方根RMS最大可達1.52 m/min，但97.73%的IOD-RMS小于0.30 m/min，與BDS-2工作衛星位于同一量級水平，且略優于BDS-2。從圖9可以看出，GPS衛星的IOD-RMS明顯大于BDS各類型衛星，其中年積日277、283、290、291和292有明顯的波動，可能是由于當天電離層發生異常所致。

3 結 論

本文利用22個iGMAS觀測站和MGEX觀測站的多模GNSS觀測數據，從信噪比、數據完整率、多路徑效應和電離層延遲4個評估指標對我國北斗新型試驗衛星B1和B3雙頻觀測數據進行質量分析，并與同源站GPS和BDS-2衛星數據質量進行了對比分析：

(1) 88.64%的IGSO試驗衛星(C31、C32)數據完整性大于95%，95.46%的MEO試驗衛星(C33、C34)數據完整性大于95%，與BDS-2衛星數據完整率相當。

(2) C31、C32的信噪比較北斗工作IGSO衛星信噪比有小幅增長，僅C31的B1頻點的信噪比略低于北斗工作IGSO衛星，而C33、C34的信噪比較北斗工作MEO衛星信噪比更高。

(3) C31、C32的多路徑誤差與北斗工作IGSO衛星精度相當，而C33、C34的多路徑誤差較北斗工作MEO衛星有明顯減小，說明其偽距觀測值質量更優。

(4) 電離層延遲方面，有97.73%的IOD-RMS小于0.30 m/min，與北斗二代工作衛星處于同一量級水平，且略優于北斗二代工作衛星，優于GPS衛星的結果。

綜上所述，北斗三代試驗衛星性能有了進一步提升，能夠滿足北斗衛星導航系統正常的工作要求，為北斗衛星導航系統由區域系統向全球組網奠定了基礎。

致謝：感謝國際GNSS監測評估系統(iGMAS)和國際GNSS服務組織(IGS)提供的數據。