北極地區(qū)BDS-3偽距單點(diǎn)定位精度分析

陳永貴,朱玉香

(河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院,河南 鄭州451464)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)作為我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),已經(jīng)完成了北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-1)和北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-2)的建設(shè),目前進(jìn)入北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)的建設(shè)階段[1-2].截止到2019年12月16日,BDS-3共發(fā)射了28顆衛(wèi)星,其中地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)1顆,傾斜軌道衛(wèi)星(IGSO)3顆,中圓軌道衛(wèi)星(MEO)24顆,保留BDS-2的B1I以及B3I頻率,增加了B1C頻率和B2a頻率,B2I頻率改為B2b,頻率相同,調(diào)制方式不同[3-4].北極地區(qū)位于地球北端,環(huán)境惡劣,常年被冰雪覆蓋,但是存儲(chǔ)著豐富的自然資源,是人類最后還未被開發(fā)的資源寶庫(kù),加強(qiáng)對(duì)北極地區(qū)的探索與考察,是國(guó)家“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的重要一步[5-7].導(dǎo)航與定位是北極考察必不可少的工具,同時(shí)也是保證極地科考人員人身安全與科考結(jié)果精度的必要保障[8-10].BDS-2只能向亞太地區(qū)提供高精度導(dǎo)航與定位服務(wù),在極地地區(qū)不能實(shí)現(xiàn)定位[11],隨著我國(guó)BDS-3的建設(shè)發(fā)展,相信其能在北極地區(qū)實(shí)現(xiàn)高精度定位,對(duì)于BDS-3的定位性能,國(guó)內(nèi)部分學(xué)者進(jìn)行了一些研究,但不是針對(duì)北極地區(qū),文獻(xiàn)[12]對(duì)BDS-3的數(shù)據(jù)質(zhì)量以及定位精度進(jìn)行了初步分析,發(fā)現(xiàn)BDS-3衛(wèi)星信噪比優(yōu)于BDS-2衛(wèi)星信噪比,多路徑效應(yīng)基本一致,但BDS-3衛(wèi)星中不存在系統(tǒng)偏差,BDS-3衛(wèi)星的加入,有效改進(jìn)了BDS衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu),提高了BDS偽距單點(diǎn)定位與相對(duì)定位精度;文獻(xiàn)[13]分析了BDS-3標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位精度,發(fā)現(xiàn)BDS-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量良好,BDS-3定位精度優(yōu)于BDS-2;文獻(xiàn)[14]分析了BDS-3 B1C頻率和B2a頻率的數(shù)據(jù)質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)B1C頻率的數(shù)據(jù)完整率優(yōu)于B2a頻率,而B2a頻率的信噪比與偽距噪聲優(yōu)于B1C頻率,其他方面BDS-3衛(wèi)星與GPS和Galileo基本一致.

為進(jìn)一步研究BDS-3定位性能,本文采用2020年1月1日北極地區(qū)的METG站與SOD3站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了極地地區(qū)BDS-3 B1I和B3I兩個(gè)頻率的單頻偽距單點(diǎn)定位精度與B1I/B3I雙頻組合定位精度,并與GPS偽距單點(diǎn)定位精度進(jìn)行對(duì)比.

1 BDS偽距單點(diǎn)定位模型

偽距單點(diǎn)定位一般觀測(cè)方程如下:

P=ρ+c·δti-c·δtj+Δion+Δtrop+ε,

(1)

式中:P為偽距觀測(cè)值;ρ為站星間距;c表示真空中的光速;δti為接收機(jī)鐘差;δtj為衛(wèi)星鐘差;Δion為電離層延遲改正;Δtrop為對(duì)流層延遲改正;ε為觀測(cè)噪聲.

在進(jìn)行雙頻組合定位時(shí),常用的定位模型是雙頻無(wú)電離層組合模型,其公式如下:

Pmn=amnPm+bmnPn，

(2)

(3)

式中:(Pm,Pn)和(fm,fn)分別表示頻率(m,n)的偽距觀測(cè)值與頻率;(am,bn)表示頻率(m,n)的無(wú)電離層組合系數(shù).

2 數(shù)據(jù)處理分析

為對(duì)北極地區(qū)BDS-3定位性能進(jìn)行詳細(xì)分析,選取位于北極地區(qū)北緯70°附近的METG站和SOD3站,觀測(cè)時(shí)間為2020年1月1日00:00:00-24:00:00,采樣頻率為30 s, 可以接收到BDS-3衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào).在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),首先對(duì)BDS-3衛(wèi)星的B1I和B3I頻率進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位處理,再處理B1I/B3I組合頻率的偽距單點(diǎn)定位,并與GPS衛(wèi)星L1單頻和L1/L2雙頻組合偽距單點(diǎn)定位精度進(jìn)行對(duì)比.

衛(wèi)星可見數(shù)與PDOP作為影響定位精度的重要因素,首先對(duì)其進(jìn)行分析.

如圖1所示,在北極地區(qū)BDS-3衛(wèi)星可見數(shù)為7～16顆,GPS的衛(wèi)星可見數(shù)為7～16顆,BDS與GPS的平均衛(wèi)星可見數(shù)為12顆,當(dāng)前情況下在北極地區(qū)BDS-3衛(wèi)星可見數(shù)與GPS一致.如圖2所示,北極地區(qū)BDS-3衛(wèi)星的PDOP值為1.2～3.3,GPS衛(wèi)星的PDOP值為1.2～3.3,GPS的平均PDOP值為1.61,BDS的平均PDOP值為1.59,當(dāng)前情況下北極地區(qū)BDS-3衛(wèi)星空間分布結(jié)構(gòu)與GPS相當(dāng).

2.1 單頻偽距單點(diǎn)定位

在進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理前,先利用GAMIT軟件聯(lián)合周邊連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)解算得到所選跟蹤站的真實(shí)坐標(biāo),然后分析BDS-3衛(wèi)星的B1I頻率以及B3I頻率的偽距單點(diǎn)定位誤差和均方根(RMS)值,并與GPS衛(wèi)星L1頻率的偽距單點(diǎn)定位誤差以及RMS值對(duì)比,BDS-3與GPS單頻偽距單點(diǎn)定位誤差如圖3所示.

(a)B1I (b)B3I (c)L1圖3 METG站單頻偽距單點(diǎn)定位誤差

如圖3所示,METG站BDS-3衛(wèi)星B1I頻率偽距單點(diǎn)定位E、N方向誤差在4 m以內(nèi),U方向誤差在7 m以內(nèi),B3I頻率偽距單點(diǎn)定位E、N方向誤差在4 m以內(nèi),U方向誤差在8 m以內(nèi).GPS衛(wèi)星L1頻率偽距單點(diǎn)定位E、N方向誤差在3 m以內(nèi),U方向誤差在6 m以內(nèi).

如圖4所示,SOD3站BDS-3衛(wèi)星B1I頻率偽距單點(diǎn)定位E、N方向誤差在3 m以內(nèi),U方向誤差在8 m以內(nèi),B3I頻率偽距單點(diǎn)定位E、N方向誤差在3 m以內(nèi),U方向誤差在7 m以內(nèi).GPS衛(wèi)星L1頻率偽距單點(diǎn)定位E、N方向誤差在3 m以內(nèi),U方向誤差在5 m以內(nèi).

綜合圖3～4,發(fā)現(xiàn)觀測(cè)當(dāng)天北極地區(qū)BDS-3衛(wèi)星B1I頻率與B3I頻率的偽距單點(diǎn)定位誤差基本一致,相比于GPS衛(wèi)星L1頻率偽距單點(diǎn)定位誤差略大.

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)兩個(gè)跟蹤站單頻偽距單點(diǎn)定位RMS值如表1所示.

(a)B1I (b)B3I (c)L1圖4 SOD3站單頻偽距單點(diǎn)定位誤差

表1 BDS-3單頻偽距單點(diǎn)定位RMS值

如表1所示,METG站BDS-3衛(wèi)星B1I頻率與B3I頻率的偽距單點(diǎn)定位E、N方向RMS值優(yōu)于0.65 m,U方向RMS值優(yōu)于3 m,相比于GPS衛(wèi)星L1頻率各方向RMS值略大;SOD3站BDS-3衛(wèi)星B1I頻率與B3I頻率的偽距單點(diǎn)定位E方向RMS值優(yōu)于0.6 m,N方向RMS值優(yōu)于0.7 m,U方向RMS值優(yōu)于3 m,其中E方向RMS值相比于GPS衛(wèi)星L1頻率的RMS值略小,其他兩個(gè)方向略大.

2.2 雙頻偽距單點(diǎn)定位

在分析BDS-3雙頻偽距單點(diǎn)定位時(shí),主要分析BDS-3衛(wèi)星的B1I/B3I頻率組合的偽距單點(diǎn)定位誤差和RMS值,并與GPS衛(wèi)星L1/L2頻率組合的偽距單點(diǎn)定位誤差以及RMS值對(duì)比,BDS-3與GPS單頻雙距單點(diǎn)定位誤差如圖5所示.

(a)B1I/B3I (b)L1/L2圖5 METG站雙頻偽距單點(diǎn)定位誤差

由圖5可知,METG站BDS-3衛(wèi)星B1I/B3I頻率組合的偽距單點(diǎn)定位E、N方向誤差在6 m以內(nèi),U方向誤差在15 m以內(nèi),GPS衛(wèi)星L1/L2頻率組合的偽距單點(diǎn)定位E、N方向誤差在3 m以內(nèi),U方向誤差在9 m以內(nèi).

如圖6所示,SOD3站BDS-3衛(wèi)星B1I/B3I頻率組合的偽距單點(diǎn)定位E、N方向誤差在5 m以內(nèi),U向誤差在12 m以內(nèi),GPS衛(wèi)星L1/L2頻率組合的偽距單點(diǎn)定位E、N方向誤差在4 m以內(nèi),U方向誤差在10 m以內(nèi).發(fā)現(xiàn)雙頻組合偽距單點(diǎn)定位誤差大于單頻,是因?yàn)殡p頻組合使觀測(cè)噪聲放大,降低了偽距單點(diǎn)定位精度.

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)兩個(gè)跟蹤站雙頻偽距單點(diǎn)定位RMS值如下.

(a)B1I/B3I (b)L1/L2圖6 SOD3站雙頻偽距單點(diǎn)定位誤差

表2 BDS-3雙頻偽距單點(diǎn)定位RMS值

如表2所示,METG站BDS-3衛(wèi)星B1I/B3I頻率組合下偽距單點(diǎn)定位E方向RMS值優(yōu)于1 m,N方向RMS值優(yōu)于2 m,U方向RMS值優(yōu)于3 m,相比于GPS衛(wèi)星L1/L2頻率組合下各方向的RMS值略大;SOD3站BDS-3衛(wèi)星B1I/B3I頻率組合下偽距單點(diǎn)定位E、N方向RMS值優(yōu)于2 m,U方向RMS值優(yōu)于4 m,相比于GPS衛(wèi)星L1/L2頻率組合下各方向的RMS值略大.

3 結(jié) 論

針對(duì)北極地區(qū)BDS-3定位性能,本文以北極地區(qū)IGS連續(xù)跟蹤站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了北極地區(qū)BDS-3衛(wèi)星B1I頻率和B3I頻率單頻偽距單點(diǎn)定位精度與B1I/B3I組合下的雙頻偽距單點(diǎn)定位精度,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):

1) 北極地區(qū)BDS-3衛(wèi)星可見數(shù)與GPS衛(wèi)星可見數(shù)一致,BDS-3衛(wèi)星PDOP值與GPS值一致,表明當(dāng)前狀況下BDS-3衛(wèi)星空間分布結(jié)構(gòu)與GPS相當(dāng).

2) 北極地區(qū)BDS-3衛(wèi)星B1I頻率和B3I頻率單頻偽距單點(diǎn)定位精度相當(dāng),E、N方向定位精度優(yōu)于1 m,U方向精度優(yōu)于3 m,相比于GPS衛(wèi)星L1頻率偽距單點(diǎn)定位精度略差.

3) 北極地區(qū)BDS-3衛(wèi)星B1I/B3I頻率組合偽距單點(diǎn)定位精度低于B1I頻率與B3I頻率單頻偽距單點(diǎn)定位精度,相比于GPS衛(wèi)星L1/L2頻率組合下的偽距單點(diǎn)定位精度略差.

本文只分析了當(dāng)前情況下北極地區(qū)BDS-3衛(wèi)星的B1I頻率與B3I頻率的偽距單點(diǎn)定位精度,相信BDS-3完全建成,北極地區(qū)BDS定位精度會(huì)有所提升.