北斗三號(hào)與北斗二號(hào)衛(wèi)星信號(hào)對(duì)比分析

天津七一二通信廣播股份有限公司 呂琳 韓明 張建軍 呂自鵬

隨著北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建成并提供全球服務(wù)，對(duì)北斗二號(hào)和北斗三號(hào)衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量的對(duì)比分析研究至關(guān)重要。本文采集相同測(cè)試環(huán)境下的北斗二號(hào)與北斗三號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)B1、B3、B1c、B2a頻點(diǎn)從衛(wèi)星數(shù)、天球路徑圖、可用率、仰角分布等方面完成分析與評(píng)估。結(jié)果表明，與BDS-2相比，BDS-3星座更加完善，數(shù)據(jù)可用率均在95%以上，信號(hào)質(zhì)量較好。分析結(jié)果為北斗三號(hào)在工程應(yīng)用中提供參考依據(jù)。

目前由我國(guó)建成的獨(dú)立自主、開放兼容的北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，為全球提供服務(wù)。北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由若干地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）和中圓地球軌道衛(wèi)星（MEO）三種軌道衛(wèi)星組成混合導(dǎo)航星座。北斗二號(hào)基本星座采取5GEO+5IGSO+4MEO的形式；北斗三號(hào)采取3GEO+3IGSO+24MEO的星座構(gòu)成，并將視情部署在軌備份衛(wèi)星，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間具備通信能力，可以在沒有地面站支持的情況下自主運(yùn)行。北斗三號(hào)衛(wèi)星組網(wǎng)從區(qū)域走向全球，而且在載荷、星間鏈路、激光通信等方面也有進(jìn)步，北斗三號(hào)增加了衛(wèi)星搜救功能和全球位置報(bào)告功能等[1]。

北斗二號(hào)在B1、B2和B3三個(gè)頻段提供B1I、B2I和B3I三個(gè)公開服務(wù)信號(hào)。北斗三號(hào)新增B1c、B2a、B2b（精密星歷），保留北斗二號(hào)B1I、B3I，B2I被B2a取代，提供B1I、B3I、B1c、B2a和B2b五個(gè)公開服務(wù)信號(hào)，其中B1c和B2a信號(hào)在北斗三號(hào)MEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星上播發(fā)[2-3]。

為了充分分析北斗二號(hào)和北斗三號(hào)衛(wèi)星的信號(hào)數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文在同一時(shí)間，同一地點(diǎn)，同一測(cè)試環(huán)境下采集了監(jiān)測(cè)站24小時(shí)的數(shù)據(jù)，從衛(wèi)星數(shù)、天球路徑圖、可用率、仰角分布等方面進(jìn)行了充分的對(duì)比分析，為系統(tǒng)全面利用北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)提供技術(shù)參考和依據(jù)。

圖1(a) BDS-2衛(wèi)星數(shù)量監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 (a) Statistical map of BDS-2 satellite number monitoring

圖1(b) BDS-3衛(wèi)星數(shù)量監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)圖Fig.1(b) Statistical map of BDS-3 satellite number monitoring

1 衛(wèi)星數(shù)

北斗二號(hào)共發(fā)射20顆衛(wèi)星，北斗三號(hào)共發(fā)射35顆衛(wèi)星。通過數(shù)據(jù)分析監(jiān)測(cè)站跟蹤的衛(wèi)星數(shù)，如圖1所示，BDS-2號(hào)可跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)量為10～16顆；北斗三號(hào)提供服務(wù)后，BDS-3可跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)量明顯增多，為18～26顆。一天內(nèi)BDS-2衛(wèi)星數(shù)平均在12顆左右，BDS-3衛(wèi)星數(shù)平均在22顆左右，數(shù)量翻倍。圖中x軸為觀測(cè)時(shí)間，y軸為跟蹤的衛(wèi)星個(gè)數(shù)。

2 衛(wèi)星天球路徑圖

如圖2所示，從可用衛(wèi)星的天球路徑圖可以看出[4]，與北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，隨著北斗三號(hào)軌道運(yùn)行可用衛(wèi)星數(shù)目增多，星座更完善，衛(wèi)星全球網(wǎng)已經(jīng)建成，已為全球提供服務(wù)。x軸為衛(wèi)星方位角、y軸為衛(wèi)星高度角。

3 可用率及仰角分布

數(shù)據(jù)可用率是指參與計(jì)算衛(wèi)星總歷元數(shù)與觀測(cè)到的總歷元數(shù)之比[5]。如圖3和表1所示，評(píng)估了BDS-2和BDS-3衛(wèi)星信號(hào)觀測(cè)值（偽距、載波相位、多普勒、信號(hào)強(qiáng)度）的觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)、可用率及衛(wèi)星仰角分布情況。

表1 衛(wèi)星信號(hào)觀測(cè)值、可用率Tab.1 Satellite signal observation value and availability

B1、B3頻點(diǎn)可觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)比B1c、B2a頻點(diǎn)可觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)稍多，如圖3(a)所示。

圖3(a) 觀測(cè)頻點(diǎn)及衛(wèi)星數(shù)Fig.3 (a) Frequency points and number of satellites observed

從北斗系統(tǒng)數(shù)據(jù)可用率上看，B1、B3，B1c和B2a可用率均達(dá)到90%以上，B1c可用率最高，B2a比B1、B3可用率稍低，如圖3(b)所示。

圖3(b) 可用率Fig.3(b) Availability

從衛(wèi)星仰角分布上看，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)大部分衛(wèi)星仰角分布在20°～70°之間，如圖3(c)所示。

圖3(c) 衛(wèi)星仰角分布Fig.3(c) Elevation distribution of satellite

4 結(jié)論

圖2(a) BDS-2 衛(wèi)星天球路徑圖Fig.2 (a) Celestial path map of BDS-2 satellite

圖2(b) BDS-3 衛(wèi)星天球路徑圖Fig.2 (b) Celestial path map of BDS-3 satellite

北斗衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量是影響服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，是系統(tǒng)運(yùn)行性能的體現(xiàn)，本文通過采集北斗二號(hào)和北斗三號(hào)的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，從衛(wèi)星數(shù)、天球路徑圖、可用率、仰角分布等方面進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

（1）BDS-3比BDS-2可視觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)增多，星座更加完善，可有效改善衛(wèi)星星座幾何構(gòu)型；

（2）數(shù)據(jù)可用率，B1、B3，B1c和B2a可用率均達(dá)到90%以上，B1c可用率最高，B2a比B1、B3可用率稍低，可用率低可能與接收機(jī)硬件設(shè)備和測(cè)試環(huán)境有關(guān)，觀測(cè)數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定；

（3）BDS-3與BDS-2仰角分布基本一致，大部分衛(wèi)星分布在20°～70°之間；BDS-3與BDS-2 B1、B3、B1c和B2a頻點(diǎn)載噪比均在40dB-Hz以上，信號(hào)質(zhì)量較好。

引用

[1] 楊元喜,許揚(yáng)胤,李金龍,等.北斗三號(hào)系統(tǒng)進(jìn)展及性能預(yù)測(cè):試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析[J].中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2018,48(5):584-594.

[2] 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件公開服務(wù)信號(hào)B1C(1.0 版)[S].2017.

[3] 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件公開服務(wù)信號(hào)B2a(1.0 版)[S].2017.

[4] 劉季.北斗GEO衛(wèi)星軌道算法研究[J].測(cè)繪地理信息,2012,37(5):33-36.

[5] 陳良,耿長(zhǎng)江,周泉.iGMAS GNSS采集設(shè)備數(shù)據(jù)質(zhì)量比較分析[C]//第六屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)論文集—S06北斗/GNSS測(cè)試評(píng)估技術(shù),2015:60-63.