北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)海拔依賴性偽距變化特性分析?

斯庭勇 呂玉祥 劉才華 秦 浩 稂龍亞

（安徽繼遠軟件有限公司 合肥 230088）

1 引言

我國正在建設(shè)中的第三代BDS（北斗-3）系統(tǒng)計劃使用先進的測距技術(shù)，以保證與伽利略和GPS等其他全球?qū)Ш较到y(tǒng)能夠互兼容和互操作［1］。然而，為了驗證新系統(tǒng)設(shè)計和第三代BDS 的新技術(shù)，我國實施了一個由5 顆非GEO 衛(wèi)星組成的“新一代北斗衛(wèi)星”的試驗系統(tǒng)［2～3］。本文將這類新一代實驗衛(wèi)星稱為北斗三號在軌驗證衛(wèi)星（簡稱BD3-IOV），以區(qū)別于實際的北斗三號導航衛(wèi)星系統(tǒng)。

傳輸信號質(zhì)量、測量噪聲和多徑是影響衛(wèi)星測距性能的關(guān)鍵［4］。已有研究表明，在北斗-2試運行階段，第一顆北斗-2 衛(wèi)星（COMPASS-M1）的跟蹤數(shù)據(jù)顯示，衛(wèi)星上存在明顯的原子鐘異常［5～6］。此后，得益于由各種商用接收器制造商制造的各種具有COMPASS 能力的多頻GNSS 接收器和公開的各種數(shù)據(jù)源，近年來北斗-2 號衛(wèi)星的一些系統(tǒng)性能已經(jīng)得到確認［7］。文獻［8］利用光譜和相關(guān)分析研究了北斗-2 GEO 衛(wèi)星碼測量的多路徑，發(fā)現(xiàn)周期振幅為1m～2m。此外，文獻［9］進一步分析和診斷了衛(wèi)星引起的IGSO 和MEO 的異常代碼偽距變化。這些類型的代碼載波分歧可能嚴重影響基于代碼范圍和載波相位可觀測量的組合的一些精確應用。本文主要研究BD3-IOV 衛(wèi)星發(fā)射的新信號的系統(tǒng)代碼-載波發(fā)散特性，BD3-IOV 信號特性中大部分將被北斗-3 衛(wèi)星所選擇和采用。除了之前研究中已經(jīng)討論過的基于全向天線的數(shù)據(jù)分析之外，本文還使用40m 的碟形天線來更深入地了解BD3-IOV衛(wèi)星的代碼-載波發(fā)散特性。

2 BD3-IOV衛(wèi)星系統(tǒng)概述

作為新一代北斗衛(wèi)星系統(tǒng)BD3-IOV 主要用于實現(xiàn)和驗證新型導航信號和衛(wèi)星間鏈路。BD3-IOV 也是北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)全球服務的技術(shù)基礎(chǔ)。BD3-IOV 的第一顆衛(wèi)星在2015 年3 月底發(fā)射到IGSO，在2016 年完成了一個5 顆衛(wèi)星星座，包括2 個IGSO（I1S 和I2S）和3 個MEO（M1S、M2S 和M3S）。這2 顆IGSO 衛(wèi)星的地面軌跡形成一個8 字形 的 環(huán) 路 ，平 均 經(jīng) 度 約 為95° ，如 圖1 所 示［10］。BD3-IOV 的最后一顆衛(wèi)星于2016 年2 月發(fā)射，但是該衛(wèi)星的天線無法傳輸導航信號。整個BD3-IOV星座狀態(tài)總結(jié)在表1中［11］。

圖1 BD3-IOV衛(wèi)星的地面軌跡投影

表1 BD3-IOV衛(wèi)星狀態(tài)

所有新的BD3-IOV 衛(wèi)星導航信號類型都是基于北斗系統(tǒng)導航信號設(shè)計方案對3 個頻率進行調(diào)制的。具體而言，北斗-2 的民用B1I 信號從1561.098MHz 遷移到1575.420MHz（稱為B1C），與GPS L1 和Galileo E1 民用信號相同，并且從正交相移鍵控調(diào)制轉(zhuǎn)換為a 多路復用二進制偏移載波調(diào)制 類 似 于 未 來 的GPS L1C 和Galileo 的E1［12］。 此外，BD3-IOV衛(wèi)星B2信號進一步細分為B2a和B2b兩種信號，類似于歐洲Galileo 系統(tǒng)的E5a 和E5b 波段。更重要的是，B2a 信號與Galileo E5a 和GPS L5共享一個波段（1176.450MHz），盡管它們的調(diào)制方式或技術(shù)實現(xiàn)方法可能不同。所有這些BD3-IOV衛(wèi)星B3 頻段的導航信號盡管與當前的BeiDou-2衛(wèi)星（1268.520MHz）共用同一頻率，但都需要經(jīng)過授權(quán)［13］。

3 觀測數(shù)據(jù)采集

本研究選用兩種可定制BD3-IOV 多頻GNSS接收器，均為大地測量級GNSS 設(shè)備。其中一架由清華大學制造，另一架由國防科技大學制造，如圖2 所示。除了能夠跟蹤GPS L1/L2 信號和北斗-2 B1I/B2I/B3I 信號外，所有這些接收器都經(jīng)過改造，以支持接收上述BD3-IOV 所有新的如表2 所示的民用信號。

表2 應用于BD3-IOV衛(wèi)星的基本民用信號結(jié)構(gòu)

在武漢、鄭州和桂林三個城市的跟蹤站采集了這項研究的觀察數(shù)據(jù)。鄭州和桂林站配備了由THU 支持的BDS 大地測量接收器和大地測量級HX-CSX605A 天線。武漢站配備了NUDT 接收器和Trimble扼流圈天線（TRM59800.00/NONE）。這種類型的多路徑緩解節(jié)流板可以顯著降低電站周圍的多徑效應。這三個站點的天線安裝在高層建筑的屋頂上，受到周圍障礙物的影響較小。由于3個站的經(jīng)度與I1S 和I2S 衛(wèi)星的經(jīng)度相差不到20°，其平均經(jīng)度約為95°，可以跟蹤從0°～90°的海拔高度的I1S 和I2S 衛(wèi)星。這有助于分析不同海拔高度的多徑特性。本研究采集了2018 年6 月（DoY 168-197）和2018 年7 月（DoY 204-233）兩個30 天的觀察間隔。M3S 由于導航信號發(fā)射器故障而沒有采集到數(shù)據(jù)。

為了將站點環(huán)境中產(chǎn)生的多徑效應分開，進行兩項特別數(shù)據(jù)采集活動，即2017年的DoY 130-139和DoY 319-326，在國家授時中心使用40m 碟形天線進行觀測。這種碟形天線提供低噪聲、低多徑編碼和相位測量。然而，它具有很強的方向性，波束寬度較窄，只能在衛(wèi)星所能看到的全部時間內(nèi)為每個衛(wèi)星依次采集數(shù)據(jù)集［14］。因此，收集整個BD3-IOV 衛(wèi)星星座的數(shù)據(jù)集（零基線模式），一次一個衛(wèi)星。每個衛(wèi)星數(shù)據(jù)集涵蓋了從15°到至少80°的高海拔范圍。為了便于比較，兩顆GPS 衛(wèi)星G05（SVN50）和G08（SVN72）也被40m 碟形天線和一個額外的Trimble NetR9 接收器順序跟蹤。同時，在距40m 的碟形天線30m 處，用TRM57971.00/NONE全向天線對上述兩顆GPS衛(wèi)星進行了觀測。

表3 描述了用于采集觀測數(shù)據(jù)的跟蹤站和接收器。一些接收器內(nèi)部參數(shù)，如預相關(guān)帶寬，用于跟蹤和多徑相關(guān)技術(shù)的接收器之間的芯片間隔，而這些數(shù)據(jù)在多路徑緩解中發(fā)揮非常重要的作用。因此，這些接收器參數(shù)也列在表3和4中。

表3 GNSS跟蹤站

表4 GNSS接收器參數(shù)

4 使用多路徑組合的代碼分析

在GNSS 數(shù)據(jù)處理中，如果無幾何和電離層偏差的線性觀測量的組合（例如多路徑組合）以連續(xù)模糊區(qū)間在某個恒定值附近變化，通常可以認為在整個傳輸過程中的殘差是正常的。因此，如果GNSS 代碼測量被某些系統(tǒng)誤差污染，特別是依賴于仰角和頻率的系統(tǒng)偏差，無論是來自衛(wèi)星本身還是來自接收終端，都可以通過MP 組合來診斷這些類型的碼載波偏差。

GNSS代碼多路徑組合通常用于評估由附近站點的信號反射引起的代碼多徑效應。多徑效應的廣義形式可以表達為［15］

其中，Pi是在頻率i處的代碼測量，Lj是在頻率j處的載波相位測量，在頻率j和k處利用載波相位范圍Lj和Lk的電離層校正。wi、wj和wk分別是3 個頻率i、j和k 的波長。載波相位模糊度以及衛(wèi)星和接收器硬件和軟件延遲歸因于頻率i處的Bi，頻率i可作為每個連續(xù)模糊度間隔的原始MP 值的平均值來計算。此外，式（1）中的載波相位多徑和測量噪聲遠小于代碼測量的噪聲，在本研究中忽略不計。其結(jié)果是時鐘、軌道、對流層和一階電離層效應的幾何偏差被消除，留下的主要是代碼多路徑、接收器噪聲以及代碼殘差中涉及的頻率上不相干的任何信號干擾。分析代碼殘差以檢測代碼載波的一致性是下面研究的主要內(nèi)容。

5 數(shù)據(jù)分析和討論

本研究的結(jié)果進一步證明了北斗-2 衛(wèi)星偽距和載波相位測量之間所存在的代碼載波分散。對武漢觀測站的GPS、北斗-2 和BD3-IOV（C33 B1C，右欄）衛(wèi)星導航系統(tǒng)的相對于時間和海拔的典型多徑特性觀測數(shù)據(jù)如圖3 所示。圖3 表明，北斗-2 的B1I 多徑（類似于B3I）不像GPS 那樣隨機波動，但往往會隨著海拔的增加而系統(tǒng)地偏向。總的來說，在武漢站可以清楚地找到IGSO 衛(wèi)星的高度相似性，包括IGSO-6（C13，以前的C15，2016 年發(fā)射）和MEO 衛(wèi)星（見圖4）。此外，B1I 頻段的多徑效應比B3I 頻段更嚴重；也就是說，對于B1I，它在低海拔地區(qū)的范圍從大約1.0m 到高海拔的近1.0m，但在B3I 的整個范圍內(nèi)優(yōu)于±0.5m。因此可以粗略得出BD3-IOV 衛(wèi)星在多徑緩解方面顯示出重大改進的結(jié)果。尤其在高海拔上BD3-IOV 沒有明顯的系統(tǒng)代碼偏差，與GPS 相當，如圖3 所示。下面將進一步 討 論 了B1（B1C）和B2 頻 段（B2a 和B2b）中BD3-IOV導航信號的多徑特性。

圖3 GPS（G01 L1，DoY 172）、北斗2（C11 B1I）和BD3-IOV（C33 B1C）典型多徑特性

6 海拔依賴的多路徑分析

圖4 顯示了桂林站所觀測的BD3-IOV 衛(wèi)星發(fā)射的所有導航信號的高度依賴多徑效應分析。對比圖4 和圖5 能夠發(fā)現(xiàn)，IGSO（C31 和C32）的B1I和B3I頻段與海拔高度相關(guān)的代碼載波發(fā)散相對于北斗-2IGSO衛(wèi)星明顯減小。此外，對于C33和C34衛(wèi)星，在B1 和B3 頻率處也能夠發(fā)現(xiàn)極好的多路徑緩解。隨著信號設(shè)計和導航單元組裝的大量改進，C32 的第一個新的民用信號B1C 和B2（細分為B2a和B2b）沒有受到衛(wèi)星引起的代碼載波發(fā)散的嚴重污染。類似地，就C33 和C34 的新信號而言，多路徑可觀測量傾向于在整個高海拔范圍內(nèi)圍繞常數(shù)略微變化。從圖6 中可以看出，對于BD3-IOV igso型和meo型衛(wèi)星，即使納入了另外兩個觀測站（GFWH 和ZZXD）的觀測，但實際上，如圖5 和圖6 所示，仍存在0.1m 范圍內(nèi)的偽距變化，而且這個變化能夠通過40m碟形天線觀察結(jié)果所證實的。然而，這個大約0.1m 的幅度是否會影響高精度定位應用仍需要進一步研究。

圖4 不同海拔下桂林站對BD3-IOV觀測數(shù)據(jù)的多徑效應

圖5 多站測得的BD3-IOV多路徑值（DoY 168-197）

根據(jù)從跟蹤站采集的所有數(shù)據(jù)，進一步分析了BD3-IOV 衛(wèi)星發(fā)射的所有信號的多路徑的均方根（RMS）值。至于各個站點的個別信號，RMS 值與IGO 型衛(wèi)星幾乎保持在同一水平，如圖7 所示。然而，在所有跟蹤站處可以獲得在B1I 和B1C 頻率下更高的多徑效應的RMS。這意味著即使在相同的觀察情況下，B1I 和B1C 也會受到多路徑效應的影響。

給定信號和接收器組合的實際MP性能取決于各種信號和接收器參數(shù)以及跟蹤站環(huán)境。表2 列出了BD3-IOV 信號調(diào)制方案和代碼參數(shù)的芯片率。BD3-IOV B1C 信號與GPS L1C 和Galileo E1 在1575.420 MHz共享相同的MBOC（6，1，1/11），以實現(xiàn)系統(tǒng)間兼容性和互操作性。圖7 說明了B1C 的MP RMS 值與B1I 的MP RMS 值相當，盡管其代碼芯片破解率僅為B1I 的一半。這可歸因于MBOC的更好的MP緩解性能。盡管接收器位于不同的位置并配置有不同的接收器參數(shù)（表3），與B1C 和B1I 相比，對于B3I 和B2a/ B2b 信號，可以看到MP效應約有50%的改善，這是因為B3I和B2a/B2b的碼片破解率是B1C 和B1I 的10 倍。較高的代碼破解率通常被認為具有更好的MP 緩解性能。然而，沒有發(fā)現(xiàn)基于圖7中的MP RMS值，B2a/B2b的MP緩解性能明顯優(yōu)于B3I。

7 方位依賴多路徑分析

眾所周知，從站點周圍的不同高度和方位角反射的不需要的信號產(chǎn)生相對于直接信號的所謂的多徑延遲。然而，在配備有不同類型接收器的許多地面站點已經(jīng)注意到北斗-2 衛(wèi)星引起的代碼載波發(fā)散，這意味著代碼載波發(fā)散可能來自衛(wèi)星星體本身。本文重新計算了BD3-IOV 信號相對于衛(wèi)星星體固定坐標系的最低點和方位角（Xu 2007）。本研究簡單地將BD3-IOV 衛(wèi)星劃分為IGSO 型和MEO型群，并使用從3 個站點采集的長達60 天的觀測，更好地覆蓋了整個最低點角和方位角范圍。所觀測的數(shù)據(jù)如圖7 所示。圖7 表明MEO 組觀測覆蓋范圍足夠，并且在最低點和方位角的整個范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的最低點方位角代碼載波變化。盡管IGSO 組的觀測覆蓋范圍存在大量數(shù)據(jù)缺口，但與北斗-2 相比，BD3-IOV 衛(wèi)星發(fā)射的導航信號（包括B1I和B3I）的代碼多路徑緩解仍有較大的改善。

圖7 不同最低點和方位角的IGSO和MEOl類型衛(wèi)星的信號MP分布（灰色區(qū)域是觀測間隙）

8 使用40m 碟形天線跟蹤數(shù)據(jù)進行多路徑驗證

圖8顯示了連續(xù)40m 碟形天線觀察到的B1I和B3I 頻段的多徑效應。結(jié)果表明，與圖7 相比，BD3-IOV 衛(wèi)星信號的RMS 值優(yōu)于0.06m，其幅度明顯小于全視圖天線觀測到的值。這表明站點產(chǎn)生的多路徑效應對于這種類型的大型碟形天線，可以忽略周圍環(huán)境。因此，多路徑觀測中其他的任何系統(tǒng)偏差都可以歸因于衛(wèi)星或接收器配置。

圖8 單個衛(wèi)星的海拔高度和多徑效應值關(guān)系

如圖8（a）、（b）所示，北斗-2 衛(wèi)星的B1I 和B3I信號仍具有明顯的高度依賴趨勢。在BD3-IOV 衛(wèi)星的B1I 和B3I 頻段，C31（圖8（d））仍具有明顯的高度依賴性變化，而其它頻段則表明MP 值與高海拔之間的近似線性關(guān)系不明顯。這在一定程度上由不同類型的接收器采集的全視圖天線數(shù)據(jù)的結(jié)果所顯示，如圖4 和圖5 所示。與北斗-2 衛(wèi)星的B1I或B3I信號的趨勢不同，C34偏差的B1C信號的MP值可能與高海拔和方位角有一定的關(guān)系，如圖8（f）所示。這是因為MP 值在相同的海拔高度和不同的方位是不同的。進一步的分析結(jié)果表明，C32和C33衛(wèi)星B1C的MP變化趨勢相同。作為圖8（g）所示的典型例子，B2a 和B2b 的MP 高程序列要比B1C 小得多。然而，40m 碟形天線觀測到的±0.1m左右的代碼偽距變化波動范圍很難與全視圖a 區(qū)分開來。NTNAS 遭受地面多路徑效應。對上述觀測結(jié)果分析表明，其他BD3-IOV 衛(wèi)星的剩余MP 值具有與此圖類似的特性。

圖9 顯示了本研究所分析的BD3-IOV 和GPS衛(wèi)星的MP 值的時間序列，這些衛(wèi)星由40m 碟形天線和Omni 天線同時觀測到。圖9 左欄表示B134、B2a和B2b頻率的C34的MP值，中間和右列分別表示L1，L2 和L5 頻率的GPS 衛(wèi)星 的MP 值 。如圖9（a）～（h）所示，來自全視圖天線的觀測結(jié)果受到周圍環(huán)境的嚴重影響，因此MP波動范圍達到1m。在這些情況下，可觀察到的地面MP 組合更容易隱藏衛(wèi)星的偽距變化。然而，來自40m 碟形天線的MP觀測準確地檢測到衛(wèi)星引起的偽距變化，特別是在圖9（d）～（h）中。顯然，40m碟形天線觀測提供了一種分析這些類型的系統(tǒng)偽距變化的方法。

圖9 同時由40m碟形天線（深色散點圖）和Omni天線（淺色散點圖）跟蹤的MP值的時間序列

9 結(jié)語

為了跟蹤新一代北斗衛(wèi)星（BD3-IOV）的導航信號，已經(jīng)建立了少量的參考站。因為BD3-IOV中有限數(shù)量的衛(wèi)星不足以提供空間信號用于連續(xù)導航，所以本文的研究重點在于使用40m碟形天線和全向天線來分析海拔變化對偽距變化的影響。

基于由不同類型的接收器采集的觀察結(jié)果，B1I和B1C 的MP值的RMS在統(tǒng)計上大于BD3-IOV衛(wèi)星發(fā)送信號的RMS。由于不同的信號調(diào)制方案和較低的代碼芯片破解率，與B2a/B2b和B3I相比，B1I和B1C更容易受到來自附近站點的信號反射的影響。此外，B2a 和B2b 的MP 值處于相同水平并且與GPS L1 和L2 信號的MP 值相當。對3 個站點所有可用BD3-IOV 衛(wèi)星的MP 時間和高度順序分析進行了仔細的研究。由于所用天線觀測容易受到附近多路徑站點的影響，即使在B1I和B3I頻段，在觀測時間、接收器類型、衛(wèi)星海拔和方位角上也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的高度變化代碼載波相位偏差。后一種信號被發(fā)現(xiàn)受到北斗-2 IGSO 和MEO 衛(wèi)星高達1m的高度依賴偏差的影響。受益于無多路徑條件，40m 碟形天線準確地導出了衛(wèi)星引起的代碼偽距變化，范圍為0.1m。本研究的觀測結(jié)果表明，在隨機選擇GPS 的相關(guān)頻段中也發(fā)現(xiàn)了這種類型的衛(wèi)星引起的偽距變化，其變化范圍小于0.2m，與BD3-IOV 衛(wèi)星的信號相當。這表明衛(wèi)星引起的代碼偽距變化不是BD3-IOV 衛(wèi)星的獨特特征，而根據(jù)本研究所采集的觀測數(shù)據(jù)也存在于GPS衛(wèi)星中。

雖然BD3-IOV 衛(wèi)星數(shù)量非常有限、覆蓋面有限，無法進一步分析高度相關(guān)的偽距變化對定位精度的影響，但是本研究所得結(jié)果仍可以認為是對未來北斗3號民用信號完整特性的初步分析。