BDS-3三频精密单点定位精度分析

谢明德

(甘肃省地质矿产勘查开发局第四地质矿产勘查院,甘肃 酒泉 735000)

0 引 言

北斗卫星导航系统(BDS)是我国自主研发的导航与定位系统,旨在为全球用户提供导航与定位服务[1]．按照其三步走的发展战略,目前BDS已经步入到第三阶段即全球系统阶段的建设．北斗一号(BDS-1)与北斗二号(BDS-2)分别于2000年底和2012年底建设完成,2015年3月30日我国发射了第一颗BDS-3试验卫星,标志BDS进入第三阶段的建设[2-3]．截止到2018年底我国共发射BDS-3正式卫星19颗,其中18颗中圆地球轨道(MEO)卫星、1颗地球静止轨道(GEO)卫星．BDS-3相比于BDS-2很多方面都有所提升,BDS-3频率在原来的基础上增加了B1C、B2a、B2b和B2a+b,但仍然保留着B1I和B3I频率,其中B2b频率与BDS-2的B2I频率是一样的[4-6]．BDS-3卫星数及频率的增加为BDS导航与定位提供了新思路,特别是BDS-3新卫星的定位精度与数据质量需要进一步分析．多年来很多学者对BDS-2和BDS-3的定位性能进行了研究分析,惠星国等[7]分析了BDS/GPS精密单点定位精度,发现BDS静态精密定位在高原地区可以达到厘米级,对无网络地区的定位有参考价值;田福娟等[8]基于MGEX站分析了BDS精密单点定位精度,发现在观测时段内收敛率达80%以上,收敛后的BDS PPP精度可以达到0.1 m,亚太地区可以达到厘米级,6 h的观测数据就可以满足定位要求;彭利等[9]分析了BDS双/三频精密单点定位精度,发现三频相比于双频精度提升了很多,绝对定位精度在2～3 cm,水平方向与GPS双频定位精度相当;程军龙[10]等初步分析了BDS-3数据质量与定位精度,发现BDS-3的信噪比略优于BDS-2的信噪比,多路径方面相当,BDS-3新卫星的加入改善了卫星几何分布结构,提高了定位精度．

为了进一步分析BDS-3定位精度,本文以IGS连续跟踪站数据为基础,分析了BDS-3三频B1I、B2I(B2a+b)和B3I的数据质量以及精密单点定位精度,并与BDS-2进行对比．

1 BDS-3介绍

BDS-3是我国BDS建设的最后阶段,自2017年11月5日发射第一颗BDS-3正式卫星以来,到2018年底共发射19颗BDS-3正式卫星,具体如表1所示.

在频率方面,BDS-3相比于BDS-2进行了增改,在保留BDS-2原有频率的基础上增了三个频率,具体情况如表2所示.

表2 BDS-2/BDS-3卫星信号一览表

分析BDS-3/BDS-2卫星轨迹如图1所示.

图1 BDS卫星轨迹

由图1看出,BDS-2卫星在全球分布范围内较小,空间分布结构较差,BDS-3卫星的加入,提高了BDS的服务范围,改善了卫星空间几何分布．

2 BDS三频精密单点定位模型

BDS三频组合精密单点定位模型主要有三频无电离层两两组合模型、三频消电离层组合模型和三频非组合模型三种,本文所采用的则是三频消电离层组合模型,该模型只需要一组伪距和载波观测值,不需要额外的参数,具体形式如下[11]:

(1)

式中:

tr,123=tr+e1br,1+e2br,2+e3br,3，

(2)

(e1br,1+e2br,2+e3br,3)+ds,IF12.

(3)

三频消电离层组合模型的随机模型如下[11]:

ΣIF-B1B2+B2B3=AΣUC-B1B2B3AT

(4)

(5)

式中,A和A′为无电离层组合IF-B1B2+B1B3和三频消电离层组合IF-B1B2B3设计的矩阵．

3 数据质量评估

BDS定位的可靠性与可行性很大程度上取决于BDS的数据质量,因此对BDS数据质量进行评估是非常必要的,常规的数据质量评估指标有数据完整率、信噪比、多路径以及电离层延迟等,而卫星可见数与PDOP值很大程度也会影响BDS的定位精度．本文则是从BDS卫星可见数、PDOP值、信噪比以及多路径四方面评估BDS的数据质量．

3.1 卫星可见数与PDOP值

如图2所示,在所选测站的观测范围内,BDS-2卫星的可见数相比于BDS-3较稳定,BDS-2/BDS-3组合下,使BDS卫星可见数增加．如图3所示,BDS-2和BDS-3的PDOP值在观测时间段内基本一致,在个别观测历元BDS-3的PDOP值突然增加,BDS-2/BDS-3组合下,PDOP值明显减小,BDS卫星空间分布结构得到明显的改善．

图2 BDS卫星可见数

图3 BDS的PDOP值

3.2 信噪比

信噪比是信号强度与观测噪声的比值,是反应信号强度的重要指标,可以直接从观测文件中获取．

(a)B1I (b)B2I (c)B3I

(a)B1I (b)B2b (c)B3I

如图4和图5所示,BDS的信噪比随着高度角的增加而增加并且趋于稳定,BDS-3卫星的B1I信噪比比BDS-2卫星的B1I信噪比高4 dB-Hz,BDS-3卫星的B2b信噪比比BDS-2卫星的B2I信噪比高1 dB-Hz,BDS-3卫星的B3I信噪比比BDS-2卫星的B3I信噪比高1 dB-Hz．

3.3 多路径

多路径效应是接收机天线在接收到卫星直接发射的信号与多种反射信号叠加而产生的干涉延迟,计算公式如下:

Pj-Bij,

(6)

式中:i和j表示载波相位频率;MPj表示伪距多路径组合;λi和λj表示波长;fi和fj表示频率;φi和φj表示载波相位观测值;Pj表示伪距观测值;MPj中包含整周模糊度,整周模糊度中吸收了硬件延迟等误差,统一由Bij表示．

如图6和图7所示,BDS-3和BDS-2卫星B1I频率的多路径效应要大于另外两个频率的多路径效应,BDS-3卫星每个频率的多路径效应都要小于BDS-2相对应频率的多路径效应,同时在BDS-3多路径中没有发现存在于BDS-2中的系统偏差．

(a)B1I (b)B2I (c)B3I

(a)B1I (b)B2b (c)B3I

4 数据处理分析

为了详细分析BDS-3精密单点定位性能,本文选取了能接收到BDS-3新卫星新信号新频率的IGS连续跟踪站CUT0站全天的观测数据,采样频率为30 s,采用武汉大学发布的精密轨道和30 s钟差产品,分析了BDS-2、BDS-3以及BDS-2/BDS-3组合下的定位偏差、精度以及收敛时间．

如图8～10所示,在水平方向BDS-2和BDS-3精密单点定位精度可以达到厘米级,在U方向,BDS-2和BDS-3定位精度可以达到分米级,BDS-2和BDS-3组合的定位精度优于10 cm．在精度与收敛时间方面,单独利用BDS-3进行定位相比于BDS-2略低,BDS-2和BDS-3组合进行定位相比于单独定位都有了很大的提升,定位精度最大提升了41%,收敛时间提升了33%．

(a)E (b)N (c)U

图9 精密单点RMS统计 图10 收敛时间

5 结 论

本文利用IGS连续跟踪站数据初步分析了BDS-3卫星三频的数据质量与精密单点定位精度,经研究发现:

1) BDS-3新卫星的加入提升了BDS卫星的可见数,改善了BDS卫星空间几何分布结构,降低了PDOP值．

2) BDS-3三个频率的信噪比相比于BDS-2较强,尤其是B1I频率尤为明显,BDS-3多路径效应要小于BDS-2多路径效应,且观测不到存在于BDS-2中的系统偏差．

3) 单独利用BDS-3新卫星进行精密单点定位精度与收敛时间相比BDS-2略差,但是BDS-3新卫星的加入使BDS精密单点定位的精度与收敛时间都有很大的提升．