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    北斗全球试验卫星观测数据质量分析

    2019-01-19 10:38:47来源: 测绘通报
    聊聊

    我国自主研发独立运行的北斗卫星导航系统(BDS)是全球卫星导航系统的重要组成部分其建设历程分为3个阶段2000年末初步建成北斗导航实验系统(BDS-1)向中国境内提供服务2012年末实现扩展的区域导航系统(BDS-2)能够为亚太地区提供服务计划在2020年左右实现全球组网(BDS-3)正式向全球用户提供服务2015年3月30日第一颗新一代的北斗导航卫星的成功发射标志着BDS由区域扩展系统向全球组网的开始截至2017年10月已成功发射2颗IGSO和3颗MEO卫星其发射情况见表 12017年10月2日的C31—C34卫星星下点轨迹如图 1所示为了能够提高与其他导航系统的兼容性和互操作性BDS-3在播发B1I(1 561.098 MHz)B3I(1 269.520 MHz)信号基础上增加了新的信号:B1C(1 575.42 MHz)B2a(1 176.45 MHz)B2b(1 207.14 MHz)

    表 1  北斗三代试验卫星状态

    北斗全球试验卫星观测数据质量分析

    北斗全球试验卫星观测数据质量分析

    图 1   2017年10月2日北斗全球试验卫星星下点轨迹

    北斗新型试验卫星的发射是为了验证新的卫星信号星间链路和不同卫星平台等新技术其观测数据质量直接影响到北斗导航系统全球化的进程已有诸多学者对BDS-2卫星观测数据进行了质量评估文献[5]从多路径效应信噪比等方面对数据进行了分析结果表明BDS的精度略低于GPS文献[6]从可用性完整性和定位精度对香港的伪距和载波相位实测观测?#21040;?#34892;了质量评估结果显示GEO卫星的伪距观测值多路径和噪声小于1.5 m而IGSO和MEO卫星更为明显但对BDS-3试验卫星的研究还相对较少特别是在较全面地对其观测数据质量进行评估方面文献[2]从载噪比(C/N0)和伪距多路径等方面对C32-C34的5?#20013;?#21495;进行了评估结果表明BDS-3的观测数据质量同GPS L1/L2/L5和Galileo E1/E5a/E5b相当因此本文从信噪比数据完整率多路径效应和电离层延迟等方面全面系统地对BDS-3新型试验卫星观测数据进行质量分析以方便对新型试验卫星性能的评估

    1 数据获取

    目前由中国组建的国际GNSS监测评估系统(iGMAS)跟踪网和少数多模GNSS实验(MGEX)跟踪网可接收到BDS-3试验卫星观测数据但绝大多数接收机只能接收BDS-3的B1和B3双频观测数据因此本文选取了2017年10月1日(年积日274)—10月21日(年积日294)的16个iGMAS跟踪站和6个MGEX跟踪站的多模GNSS观测数据(测站分布如图 2所示)使用中国矿业大学北斗数据处理与分析中心自主研发的多系统GNSS观测数据质量分析软件基于GNSS双频观测数据从信噪比数据完整率多路径效应和电离层延迟等评估指标对北斗新型试验卫星B1和B3双频观测数据进行质量分析为了直观地对比分析本文将上述卫星分为8类GPS(G01—G32)GEO(C01—C05)IGSO(C06—C10)MEO(C11—C14)C31C32C33和C34通过与GPS和BDS-2卫星数据质量进行对比分析得到新型试验卫星的性能指标和提升水平

    北斗全球试验卫星观测数据质量分析

    图 2   选用的iGMAS和MGEX测站分布

    2 数据质量评估指标

    2.1 数据完整率

    数据完整性是衡量观测数据的重要指标是指观测时段中数据的可用性和完好性不仅?#20174;?#20102;观测环境的影响程度也体现了接收机性能的优劣将数据完整性Int定义如下

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    (1)式中Have(i)为第i颗卫星的完整观测值数目Expert(i)为第i颗卫星理论观测值数目完整观测值是指一颗星在一个历元的观测值具有P1或C/A码数据P2或C2码数据B1和B3载波相位数据

    计算2017年年积日274—294的22个测站GPS和BDS的数据完整率为了验证对B1I和B3I信号的接收情况本文设置高度截止角为0将卫星按上述分类对每个测站21 d的结果取平均值如图 3所示

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    图 3   各测站卫星的数据完整率

    从图 3可以看出BDS试验卫星的数据完整性最大为100%最小为89.34%其中88.64%的IGSO试验卫星(C31C32)数据完整?#28304;?#20110;95%95.46%的MEO试验卫星(C33C34)数据完整?#28304;?#20110;95%数据完整性较差的现象集中在TONGABJA和ICUK测站但3个测站的接收机和天线类型并不相同可能是由于测站周围环境影响所致与同源站的BDS-2和GPS对比BDS-3试验卫星与同类型的BDS-2数据完整率相当且多数情况下略优于BDS-2和GPS

    2.2 信噪比

    信噪比(SNR)是接收机的载波信号强度与噪声强度的比值单位为dB-Hz主要受卫星发射设备增益接收机中相关器的状态卫星与接收机间的几何距离以及多路径效应等因素的共同影响它不仅能?#20174;?#25509;收机的性能也能?#20174;?#20986;卫星信号质量信噪比值越高信号质量越好观测精度越高通常可?#28304;?#35266;测文件中直接获取每颗卫星各个历元的信噪比大小

    计算2017年年积日274—294的22个测站的GPS和BDS的信噪比按上述卫星分类对每个测站21 d的结果取平均值如图 4所示由于篇幅有限仅选取HMNS测站来表现试验时?#25991;?#21508;类卫星信噪比的变化情况如图 6所示其中SNR1和SNR3分别表示BDS B1和B3频点的信噪比或GPS卫星L1和L2频点的信噪比

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    图 4   各类卫星的信噪比

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    图 6  HMNS测站年积日274—294的SNR1和SNR3

    从图 4可以看出试验卫星的信噪比均值高于43 dB-HzC31C32的信噪比较北斗工作IGSO卫星信噪比?#34892;?#24133;增长仅C31的B1频点的信噪比略低于北斗工作IGSO卫星而C33C34的信噪比较北斗工作MEO卫星信噪比更高说明这两颗MEO试验卫星载波观测值噪声更小质量更优可以看到GPS的SNR1明?#28304;?#20110;SNR3而BDS是SNR3?#28304;?#20110;SNR1从图 6可以看出HMNS测站观测到的各类卫星的SNR1和SNR3变化具有一致性其中GEO和IGSO类型卫星SNR较为恒定而MEO卫星SNR有明显的周期性周期约为7 d并且更直观地体现了C31—C34的SNR1和SNR3均优于BDS-2工作卫星

    2.3 多路径效应

    卫星信号在传播过程中受观测环境的影响会产生多路径效应伪距的多路?#27573;?#24046;最大可达0.5个码元宽度并且具有周期性和随机噪声的特性无法与噪声完全分开因此本文主要考虑伪距多路径和噪声的影响双频的伪距观测值多路径效应通常可以通过伪距和载波相位观测值的线性组合分别求得某颗卫星某历元的多路?#27573;?#24046;可表示为

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    (2)式中MP1和MP3分别表示B1/B3波段上的伪距和载波相位观测值的多路径效应组合Pi为伪距观测值λi为对应频率的波长φi为载波相位观测值α=(f12/f32)fi为载波相位观测值的频率BPi包含了相位模糊度和?#23548;?#20559;差

    本文采用移动平均值法计算2017年年积日274—294的22个测站的GPS和BDS的伪距多路?#27573;?#24046;并计算其均方根RMS按上述卫星分类对每个测站21 d的结果取平均值将各个测站的多路?#27573;?#24046;RMS取平均值绘制成图 5选取HMNS测站来表现试验时?#25991;?#21508;类卫星多路?#27573;?#24046;RMS的变化情况如图 7所示其中MP1-RMS和MP3-RMS分别表示BDS B1和B3频点的多路?#27573;?#24046;RMS或GPS卫星L1和L2频点的多路?#27573;?#24046;RMS

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    图 5   各类卫星的多路?#27573;?#24046;

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    图 7   HMNS测站年积日274—294的MP1和MP3

    从图 7可以看出各类卫星的RMS均值都在0.35 m以下试验卫星多路?#27573;?#24046;RMS最大达0.770 mMP1-RMS和MP3-RMS小于0.5 m的分别占88.64%和96.59%大于0.5 m的现象集中在TONGCLGY和ICUK测站与数据完整性指标?#20174;?#30456;似表明这些测站周围环境较差C31C32的多路?#27573;?#24046;与北斗工作IGSO卫星精度相当而C33C34的多路?#27573;?#24046;较北斗工作MEO卫星有明显的减小表明这两颗MEO试验卫星伪距观测值质量更优可以看到GPS的MP1-RMS略小于MP3-RMS而BDS的MP1-RMS明?#28304;?#20110;MP3-RMS表明GPS的L1频点与BDS的B3频点伪距观测值质量更佳?#31181;?#22810;路径效应能力更强HMNS测站观测到的各类卫星的MP1-RMS和MP3-RMS变化具有一致性其中IGSO类型卫星多路?#27573;?#24046;较为稳定而MEO卫星多路?#27573;?#24046;有明显的周期性周期约为7 d

    2.4 电离层延迟及其变化率

    电磁波在通过电离层时会受离子影响产生延迟假设两个频率的载波在大气中的传播路径是相同的则两个频率的电离层延迟可表示为

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    (3)式中Ii为电离层延迟误差Bi为载波相位观测值其他参数同上述相同

    以B3频率为例定义电离层延迟变化率为[14-15]

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    (4)式中tj为第j个历元的观测时刻当IOD(3)≥4 m/min时认为电离层发生跳变

    计算2017年年积日274—294的22个测站的GPS和BDS的电离层延迟变化率的均方根RMS按上述卫星分类对每个测站21 d的结果取平均值绘制成图 8选取GUA1测站来表现试验时?#25991;?#21508;类卫星电离层延迟变化率RMS的变化情况如图 9所示

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    图 8  各测站卫星的电离层延迟RMS

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    图 9   GUA1测站年积日274—294的IOD-RMS

    从图 8可以看出C31—C34试验卫星电离层延迟变化率的均方根RMS最大可达1.52 m/min但97.73%的IOD-RMS小于0.30 m/min与BDS-2工作卫星位于同一量级水平且略优于BDS-2从图 9可以看出GPS卫星的IOD-RMS明?#28304;?#20110;BDS各类型卫星其中年积日277283290291和292有明显的波动可能是由于当天电离层发生异常所致

    3  结  论

    本文利用22个iGMAS观测站和MGEX观测站的多模GNSS观测数据从信噪比数据完整率多路径效应和电离层延迟4个评估指标对我国北斗新型试验卫星B1和B3双频观测数据进行质量分析并与同源站GPS和BDS-2卫星数据质量进行了对比分析

    (1) 88.64%的IGSO试验卫星(C31C32)数据完整?#28304;?#20110;95%95.46%的MEO试验卫星(C33C34)数据完整?#28304;?#20110;95%与BDS-2卫星数据完整率相当

    (2) C31C32的信噪比较北斗工作IGSO卫星信噪比?#34892;?#24133;增长仅C31的B1频点的信噪比略低于北斗工作IGSO卫星而C33C34的信噪比较北斗工作MEO卫星信噪比更高

    (3) C31C32的多路?#27573;?#24046;与北斗工作IGSO卫星精度相当而C33C34的多路?#27573;?#24046;较北斗工作MEO卫星有明显减小说明其伪距观测值质量更优

    (4) 电离层延迟方面有97.73%的IOD-RMS小于0.30 m/min与北斗二代工作卫星处于同一量级水平且略优于北斗二代工作卫星优于GPS卫星的结果

    综上所述北斗三代试验卫星性能有了进一步提升能够满足北斗卫星导航系统正常的工作要求为北斗卫星导航系统由区域系统向全球组网奠定了基础

    致谢: ?#34892;?#22269;际GNSS监测评估系统(iGMAS)和国际GNSS服务组织(IGS)提供的数据

    引文格式?#25105;?#30922;王志文王潜?#27169;?#31561;北斗全球试验卫星观测数据质量分析[J]. 测绘通报2018(12)1-5. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2018.0374. 

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