北斗全球试验卫星观测数据质量分析

何义磊，王志文，王潜心，毛 亚

(1.中国矿业大学国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；3.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222)

中国自主研发、独立运行的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是全球卫星导航系统的重要组成部分[1]。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[2]。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1[3]，2017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)[4]。

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值进行了质量评估，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种信号进行了评估，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。

表1 北斗三代试验卫星状态[3]

图1 2017年10月2日北斗全球试验卫星星下点轨迹

1 数据获取

目前，由中国组建的国际GNSS监测评估系统(International GNSS Monitoring & Assessment System,iGMAS)跟踪网和少数多模GNSS实验(The Multi-GNSS Experiment,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[7]，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)、C31、C32、C33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。

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，不仅反映了观测环境的影响程度，也体现了接收机性能的优劣[8]。将数据完整性Int定义如下

(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[9-10]。

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。

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(C31、C32)数据完整性大于95%，95.46%的MEO试验卫星(C33、C34)数据完整性大于95%。数据完整性较差的现象集中在TONG、ABJA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，它不仅能反映接收机的性能，也能反映出卫星信号质量[8,11]。信噪比值越高，信号质量越好，观测精度越高。通常可以从观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测站来表现试验时段内各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。

图4 各类卫星的信噪比

图5 各类卫星的多路径误差

从图4可以看出，试验卫星的信噪比均值高于43 dB-Hz，C31、C32的信噪比较北斗工作IGSO卫星信噪比有小幅增长，仅C31的B1频点的信噪比略低于北斗工作IGSO卫星。而C33、C34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明显大于SNR3，而BDS是SNR3略大于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。

图6 HMNS测站年积日274—294的SNR1和SNR3

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，伪距的多路径误差最大可达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[9]，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[8]。某颗卫星某历元的多路径误差可表示为[11-12]

(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频间偏差。

本文采用移动平均值法[8]计算2017年年积日274—294的22个测站的GPS和BDS的伪距多路径误差，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，将各个测站的多路径误差RMS取平均值绘制成图5。选取HMNS测站来表现试验时段内各类卫星多路径误差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频点的多路径误差RMS或GPS卫星L1和L2频点的多路径误差RMS。

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，试验卫星多路径误差RMS最大达0.770 m，MP1-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TONG、CLGY和ICUK测站，与数据完整性指标反映相似，表明这些测站周围环境较差。C31、C32的多路径误差与北斗工作IGSO卫星精度相当，而C33、C34的多路径误差较北斗工作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明显大于MP3-RMS，表明GPS的L1频点与BDS的B3频点伪距观测值质量更佳，抑制多路径效应能力更强。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类型卫星多路径误差较为稳定，而MEO卫星多路径误差有明显的周期性，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[13]

(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]

(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测站来表现试验时段内各类卫星电离层延迟变化率RMS的变化情况，如图9所示。

图8 各测站卫星的电离层延迟RMS

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明显大于BDS各类型卫星，其中年积日277、283、290、291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(C31、C32)数据完整性大于95%，95.46%的MEO试验卫星(C33、C34)数据完整性大于95%，与BDS-2卫星数据完整率相当。

(2) C31、C32的信噪比较北斗工作IGSO卫星信噪比有小幅增长，仅C31的B1频点的信噪比略低于北斗工作IGSO卫星，而C33、C34的信噪比较北斗工作MEO卫星信噪比更高。

(3) C31、C32的多路径误差与北斗工作IGSO卫星精度相当，而C33、C34的多路径误差较北斗工作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：感谢国际GNSS监测评估系统(iGMAS)和国际GNSS服务组织(IGS)提供的数据。