BDS-3 新頻點B1C/B2a 動態數據特性及PPP 精度分析

劉永正，蔡昌盛，崔先強，朱永興

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院,長沙 410083；2.地理信息工程國家重點試驗室,西安 710054)

0 引言

2021 年7 月31 日，我國自主建設的北斗三號衛星導航系統(BDS-3)正式建成并為全球用戶提供高質量的定位、導航及授時服務[1].BDS-3 星座的完整構建，為全球導航衛星系統(GNSS)家族提供了更多的衛星數據源.衛星數量的增加為獲取可靠的定位解創造了前提條件.BDS-3 在保留原有B1I、B3I 信號頻點的基礎上，新增了與GPS、Galileo 兼容的B1C、B2a 新頻點.自2017 年中國衛星導航系統管理辦公室發布BDS-3 B1C、B2a 接口控制文件以來[2-3]，BDS新頻點B1C、B2a 的數據質量及其定位性能受到了業界的普遍關注.

已有不少學者對BDS-3 新頻點的數據質量與定位性能進行了分析與評估.伊珣等[4]對數據質量進行了對比分析，尤其在載噪比(CNR)與多路徑誤差方面BDS-3 新頻點的數據質量較北斗二號衛星導航系統(BDS-2) 有了很大地提升.ZHANG 等[5]研究發現，由于BDS-3 的信噪比較BDS-2 有所提高，導致BDS-3 的偽距觀測值噪聲變小.HUANG 等[6]基于全球連續監測評估系統(iGMAS)測站數據從觀測噪聲和偽距多路徑兩個方面對BDS-3 觀測數據進行了初步分析，結果表明B2a 頻點數據質量優于B1C 頻點.賀延偉等[7]分析評估了BDS-3 與BDS-2 的基本服務性能，結果表明新頻點B1C、B2a 的偽距單點定位性能優于B1I、B3I 舊頻點.ZHU 等[8]研究發現BDS-3 B1C、B2a 新頻點的數據質量及精密單點定位(PPP)性能與GPS、Galileo 在同一水平.慕仁海等[9]進行了BDS-3 新頻點PPP 試驗，發現PPP 在東(E)、北(N)、天頂(U)三個方向上均能達到分米級的定位精度.谷世銘[10]研究發現采用B1C/B2a 組合相較于B1I/B3I組合可以縮短PPP 收斂時間與改善定位精度.

從已有文獻來看，對于BDS-3 新頻點數據質量及定位性能的研究大都針對靜態數據，缺乏動態模式下數據質量特性及定位性能的評估.基于此，本文采用車載動態試驗數據，從CNR、數據完整率、偽距與載波相位觀測值噪聲和偽距多路徑四個方面分析BDS-3 新頻點B1C、B2a 的數據質量特性.在此基礎上，進一步評估了動態PPP 性能.

1 BDS-3 新頻點數據質量特性分析

為了評估動態模式下BDS-3 新頻點B1C/B2a 的數據質量及PPP 定位性能，于2021 年11 月13 日10:00—11:00(GPS 時 02:00—03:00)進行了車載動態試驗.試驗從中南大學附近出發沿長芷高速行駛約1 h，數據采樣間隔為1 s，截止高度角為0°.圖1 為試驗數據采集裝置與行駛軌跡圖.試驗采用Trimble ALLOY 大地型接收機以及TRM57971.00 NONE 天線，該型號接收機可以同時接收GPS L1/L2/L5、GLONASS G1/G2/G3、Galileo E1/E5a/E5b/E6 和BDS B1I/B2I/B3I/B1C/B2a/B2b 信號.Trimble Alloy GNSS接收機含有兩塊Trimble Maxwell 7 芯片組，擁有超強處理能力，可以跟蹤到的衛星系統包括GPS、GLONASS、Galileo、BDS、準天頂衛星系統(QZSS)和印度區域導航衛星系統(IRNSS)，可同時捕獲到50～60 顆GNSS 衛星.此外，Trimble Alloy 接收機最大數據記錄頻率為100 Hz，本文動態試驗過程中，將接收機的數據更新率設置為1 s.Alloy 接收機支持多種觀測值文件導出格式，包括T02、T04、BINEX、RINEX v2.x/3.0x 和Google Earth KML/KMZ，本文采用常用的RINEX 3.04 文件格式進行后續處理.試驗過程中，天線放置在車頂，接收機放置在車內.

圖1 GNSS 車載動態數據采集裝置及行駛軌跡

1.1 CNR

CNR 定義為接收機獲取的載波信號功率與噪聲功率的比值，可以直接反映接收信號的強度，每顆衛星每個歷元的CNR 數值可以直接從觀測文件中獲取.圖2 描述了BDS/Galileo/GPS/GLONASS 不同頻率的CNR 分布，由圖2 可知，不同GNSS 不同頻率的CNR 范圍為20～60 dB-Hz；BDS 中B2a 頻率CNR較其他頻率更大，在整個試驗階段其CNR 均方根(RMS)為46.8 dB-Hz；GPS L5 頻率的CNR RMS 優于L1 與L2 頻率，其平均值比BDS B2a 大3.6 dB-Hz；Galileo E6 頻率的CNR 較其他幾個頻率更好，其RMS 值比B2a 大1.8 dB-Hz，其余頻率與B2a 頻點處于同一水平；GLONASS G3 頻率CNR 優于G2 和G1 頻率，其RMS 值相比BDS-3 B2a 略小.但是整個試驗過程中僅有2 顆衛星可以播發G3 頻率的觀測值，數據樣本小.

圖2 BDS/Galileo/GPS/GLONASS 各衛星各頻率CNR 分布圖

1.2 數據完整率

數據完整率為完整觀測值數量與理論觀測值數量的比值，是GNSS 數據質量分析的一個重要指標[11].本研究定義某歷元能同時獲取到偽距與載波觀測值時為該歷元數據完整.圖3 給出了不同GNSS 各個頻率的平均數據完整率.BDS-3 B1C、B2a、B2b 新頻點中B2b 數據完整率最低為73%，B2a 的數據完整率最高為79%，但略差于B1I 頻點；GPS 中L2 頻率完整率最高，與BDS B2a 完整率在同一水平；GLONASS與Galileo 中G1 頻率與E1 頻率數據完整率最高，但均低于BDS-3 新頻點.綜合來看，整個動態試驗過程中BDS 與GPS 衛星跟蹤能力最強，數據丟失率相對較低.

圖3 BDS/Galileo/GPS/GLONASS 不同頻率觀測值平均數據完整率

1.3 偽距與載波相位觀測值噪聲

偽距與載波相位觀測值噪聲是反映GNSS 接收機性能與定位精度的重要指標之一，本文通過四次差法求取偽距與載波相位觀測值噪聲[12]，即在星間單差的基礎上求取歷元間三次差.表1 統計了不同衛星系統各個頻率的偽距與載波相位觀測值殘差的RMS.由于在動態試驗過程中缺少Galileo E5 頻率載波相位觀測值，因此，沒有對Galileo E5 頻率的載波相位觀測值殘差進行統計.從表1 中可以得出，BDS-3 B2b 頻率的偽距殘差RMS 最小為0.035 m，B1C、B2a 及B2I 頻率偽距殘差RMS 約為B2b 頻率的3 倍；GPS、GLONASS、Galileo 偽距殘差分別是L5、G3、E5 頻率最優，但均大于BDS B2b 頻率，其值約為B2b 頻率的2～3 倍.總體來看，四大系統中GLONASS G1 與G2 頻率的偽距殘差明顯大于其他衛星系統，其原因可能是由于其采取頻分多址(FDMA)的模式導致的.在載波相位觀測值殘差方面，BDS-3 新頻點與BDS 舊頻率及其他系統頻率間處于同一水平，其RMS 值都位于0.020 m 附近.值得注意的是，在動態模式下，四次差法獲得的偽距和相位殘差中包含了歷元間的距離變化量，其殘差統計值相比靜態模式下更大.

表1 各GNSS 系統各頻率偽距和載波相位觀測值殘差RMS 統計值 m

1.4 偽距多路徑

多路徑誤差是影響定位精度的主要誤差項，本文通過偽距與載波相位觀測值組合求取偽距多路徑[13].圖4 統計了四個星座各個頻率所有衛星的偽距多路徑RMS 平均值.從圖4 中可以看出，BDS-3 新頻點中B2b 信號抗多路徑能力略強，但相比舊頻點，B2I信號稍弱；Galileo E5a 與BDS 新頻點偽距多路徑在類似的水平上，RMS 均約為0.15 m；GPS L5 頻點較BDS-3 新頻點抗多路徑能力更強，其RMS 比BDS B2b 小4 cm；GLONASS G1 及G2 頻率的偽距多路徑遠遠大于BDS B2b 頻率，約為B2b 的3～4 倍.

圖4 不同GNSS 各頻率所有衛星偽距多路徑RMS 平均值

2 動態PPP 定位性能分析

基于本文采集的車載動態試驗數據進行PPP 數據解算[14].為了方便對比BDS-3 新頻點PPP 定位性能，將BDS-3 B1C/B2a 雙頻組合PPP 定位結果與BDS B1I/B3I 舊頻點組合PPP 結果進行了對比，同時，也跟其他GNSS 雙頻組合PPP 定位結果進行了對比分析.具體PPP 參數數據的處理策略如表2 所示.

表2 PPP 參數估計具體處理策略

圖5 為車載動態試驗過程中各GNSS 的可視衛星數及位置精度衰減因子(PDOP)分布圖，圖5 圖例中GPS、GLONASS、Galileo、BDS(a)、BDS(b)分別表示GPS L1/L2、GLONASS G1/G2、Galileo E1/E5a、BDS B1I/B3I 及BDS-3 B1C/B2a 組合方案.從圖5 中可以看出，在整個車載動態試驗期間，可視衛星數量波動劇烈，從而導致PDOP 值相應變化劇烈.究其原因是車載動態試驗過程中，接收機鎖星不穩定，GNSS觀測值存在頻繁的丟失，且行駛過程中接收機受到一定的遮擋，導致可用于定位的衛星數出現頻繁的波動，進而導致PDOP 劇烈跳動.圖5 中BDS(a)所示的BDS B1I/B3I 組合方案中，不僅包含BDS-2 衛星同時也包含BDS-3 衛星，因而其衛星數量明顯更多并且PDOP 值最小.與GPS、GLONASS、Galileo 相比，圖中BDS(b)所示的BDS-3 B1C/B2a 組合方案衛星數量稍多，導致其 PDOP 值更小.

圖5 各GNSS 系統可見衛星數量及PDOP 分布圖

本次車載動態試驗采用多系統實時動態(RTK)固定解作為動態位置參考真值，圖6 給出了各GNSS 單星座動態PPP 定位誤差曲線圖.從圖中可以看出，由于衛星數頻繁波動導致動態PPP 定位解不穩定，存在頻繁的重收斂.BDS-3 新頻點B1C/B2a 組合方案BDS(b)定位誤差曲線相較于其他系統雙頻組合更為平滑，波動范圍更小，定位精度更高.BDS(a)采用舊頻點B1I/B3I 組合方案，盡管可見衛星數更多，但衛星數量變化劇烈，再加上包含的BDS-2 觀測數據及精密數據質量不如BDS-3，導致重收斂現象明顯，定位精度相比BDS-3 新頻點定位結果有所下降.

圖6 各GNSS 系統單星座動態PPP 定位誤差曲線圖

表3 進一步統計了各GNSS 動態PPP 定位誤差RMS 值.在統計計算時排除了E、N、U 三個方向定位誤差大于2 m 的數據.從表3 中可以看出，BDS-3新頻點B1C/B2a 組合方案定位精度最高，其三維(3D)位置誤差RMS 值為0.44 m；Galileo E1/E5a 次之；GLONASS G1/G2 定位效果最差，其3D RMS 達到了2.36 m，這與上文所分析的GLONASS 數據完整率較低，偽距觀測值殘差與偽距多路徑較大有關.BDS-3 新頻點 B1C/B2a 組合方案相較于BDS B1I/B3I、GPS L1/L2、Galileo E1/E5a、GLONASS G1/G2 組合方案定位精度分別改善了49%、56%、42%及81%.

表3 各GNSS 系統動態PPP 定位誤差RMS統計值 m

3 結束語

本文從CNR、數據完整率、偽距與載波相位觀測值噪聲和偽距多路徑四方面分析了BDS-3 新頻點B1C/B2a 的數據質量及動態PPP 定位性能，并與BDS 舊頻點及其他GNSS 進行了對比.

在數據質量方面，BDS-3 新頻點中B2a 信號CNR最優，其RMS 為46.8 dB-Hz，略小于GPS L5 與Galileo E6 頻率；BDS-3 新頻點數據完整率大體上與GPS L2 和L5 頻點處于同一水平，整體來看BDS 與GPS數據丟失率低于Galileo 和GLONASS；BDS-3 B2b偽距觀測值噪聲最小，B1C 和B2a 偽距觀測值噪聲約為B2b 信號的3 倍，但不同頻率相位觀測值噪聲處于同一量級；BDS-3 B2b 信號偽距多路徑RMS 值小于B1C 及B2a 信號，但是GPS L5 信號的抗多路徑能力在所有GNSS 中最強.

在動態PPP 定位性能方面，GLONASS G1/G2 組合動態PPP 定位精度最低，而BDS-3 B1C/B2a 組合PPP 效果最好，其3D 位置誤差RMS 值為0.439 m.BDS-3 新頻點 B1C/B2a 組合方案相較于BDS B1I/B3I、GPS L1/L2、Galileo E1/E5a、GLONASS G1/G2 組合方案定位精度分別改善了49%、56%、42% 及81%.值得注意的是，本文的結論是基于真實場景下的動態試驗數據獲得的，定位精度受到了真實動態環境多種因素的影響.