北极地区BDS-3伪距单点定位精度分析

陈永贵,朱玉香

(河南测绘职业学院,河南 郑州451464)

0 引 言

北斗卫星导航系统(BDS)作为我国自主研发设计的卫星导航系统,已经完成了北斗一号卫星导航系统(BDS-1)和北斗二号卫星导航系统(BDS-2)的建设,目前进入北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的建设阶段[1-2].截止到2019年12月16日,BDS-3共发射了28颗卫星,其中地球静止轨道卫星(GEO)1颗,倾斜轨道卫星(IGSO)3颗,中圆轨道卫星(MEO)24颗,保留BDS-2的B1I以及B3I频率,增加了B1C频率和B2a频率,B2I频率改为B2b,频率相同,调制方式不同[3-4].北极地区位于地球北端,环境恶劣,常年被冰雪覆盖,但是存储着丰富的自然资源,是人类最后还未被开发的资源宝库,加强对北极地区的探索与考察,是国家“海洋强国”战略的重要一步[5-7].导航与定位是北极考察必不可少的工具,同时也是保证极地科考人员人身安全与科考结果精度的必要保障[8-10].BDS-2只能向亚太地区提供高精度导航与定位服务,在极地地区不能实现定位[11],随着我国BDS-3的建设发展,相信其能在北极地区实现高精度定位,对于BDS-3的定位性能,国内部分学者进行了一些研究,但不是针对北极地区,文献[12]对BDS-3的数据质量以及定位精度进行了初步分析,发现BDS-3卫星信噪比优于BDS-2卫星信噪比,多路径效应基本一致,但BDS-3卫星中不存在系统偏差,BDS-3卫星的加入,有效改进了BDS卫星几何图形结构,提高了BDS伪距单点定位与相对定位精度;文献[13]分析了BDS-3标准单点定位精度,发现BDS-3卫星数据质量良好,BDS-3定位精度优于BDS-2;文献[14]分析了BDS-3 B1C频率和B2a频率的数据质量,发现B1C频率的数据完整率优于B2a频率,而B2a频率的信噪比与伪距噪声优于B1C频率,其他方面BDS-3卫星与GPS和Galileo基本一致.

为进一步研究BDS-3定位性能,本文采用2020年1月1日北极地区的METG站与SOD3站实测数据,分析了极地地区BDS-3 B1I和B3I两个频率的单频伪距单点定位精度与B1I/B3I双频组合定位精度,并与GPS伪距单点定位精度进行对比.

1 BDS伪距单点定位模型

伪距单点定位一般观测方程如下:

P=ρ+c·δti-c·δtj+Δion+Δtrop+ε,

(1)

式中:P为伪距观测值;ρ为站星间距;c表示真空中的光速;δti为接收机钟差;δtj为卫星钟差;Δion为电离层延迟改正;Δtrop为对流层延迟改正;ε为观测噪声.

在进行双频组合定位时,常用的定位模型是双频无电离层组合模型,其公式如下:

Pmn=amnPm+bmnPn，

(2)

(3)

式中:(Pm,Pn)和(fm,fn)分别表示频率(m,n)的伪距观测值与频率;(am,bn)表示频率(m,n)的无电离层组合系数.

2 数据处理分析

为对北极地区BDS-3定位性能进行详细分析,选取位于北极地区北纬70°附近的METG站和SOD3站,观测时间为2020年1月1日00:00:00-24:00:00,采样频率为30 s, 可以接收到BDS-3卫星发射的信号.在进行数据处理时,首先对BDS-3卫星的B1I和B3I频率进行伪距单点定位处理,再处理B1I/B3I组合频率的伪距单点定位,并与GPS卫星L1单频和L1/L2双频组合伪距单点定位精度进行对比.

卫星可见数与PDOP作为影响定位精度的重要因素,首先对其进行分析.

如图1所示,在北极地区BDS-3卫星可见数为7～16颗,GPS的卫星可见数为7～16颗,BDS与GPS的平均卫星可见数为12颗,当前情况下在北极地区BDS-3卫星可见数与GPS一致.如图2所示,北极地区BDS-3卫星的PDOP值为1.2～3.3,GPS卫星的PDOP值为1.2～3.3,GPS的平均PDOP值为1.61,BDS的平均PDOP值为1.59,当前情况下北极地区BDS-3卫星空间分布结构与GPS相当.

2.1 单频伪距单点定位

在进行伪距单点定位数据处理前,先利用GAMIT软件联合周边连续运行参考站(CORS)解算得到所选跟踪站的真实坐标,然后分析BDS-3卫星的B1I频率以及B3I频率的伪距单点定位误差和均方根(RMS)值,并与GPS卫星L1频率的伪距单点定位误差以及RMS值对比,BDS-3与GPS单频伪距单点定位误差如图3所示.

(a)B1I (b)B3I (c)L1图3 METG站单频伪距单点定位误差

如图3所示,METG站BDS-3卫星B1I频率伪距单点定位E、N方向误差在4 m以内,U方向误差在7 m以内,B3I频率伪距单点定位E、N方向误差在4 m以内,U方向误差在8 m以内.GPS卫星L1频率伪距单点定位E、N方向误差在3 m以内,U方向误差在6 m以内.

如图4所示,SOD3站BDS-3卫星B1I频率伪距单点定位E、N方向误差在3 m以内,U方向误差在8 m以内,B3I频率伪距单点定位E、N方向误差在3 m以内,U方向误差在7 m以内.GPS卫星L1频率伪距单点定位E、N方向误差在3 m以内,U方向误差在5 m以内.

综合图3～4,发现观测当天北极地区BDS-3卫星B1I频率与B3I频率的伪距单点定位误差基本一致,相比于GPS卫星L1频率伪距单点定位误差略大.

进一步统计两个跟踪站单频伪距单点定位RMS值如表1所示.

(a)B1I (b)B3I (c)L1图4 SOD3站单频伪距单点定位误差

表1 BDS-3单频伪距单点定位RMS值

如表1所示,METG站BDS-3卫星B1I频率与B3I频率的伪距单点定位E、N方向RMS值优于0.65 m,U方向RMS值优于3 m,相比于GPS卫星L1频率各方向RMS值略大;SOD3站BDS-3卫星B1I频率与B3I频率的伪距单点定位E方向RMS值优于0.6 m,N方向RMS值优于0.7 m,U方向RMS值优于3 m,其中E方向RMS值相比于GPS卫星L1频率的RMS值略小,其他两个方向略大.

2.2 双频伪距单点定位

在分析BDS-3双频伪距单点定位时,主要分析BDS-3卫星的B1I/B3I频率组合的伪距单点定位误差和RMS值,并与GPS卫星L1/L2频率组合的伪距单点定位误差以及RMS值对比,BDS-3与GPS单频双距单点定位误差如图5所示.

(a)B1I/B3I (b)L1/L2图5 METG站双频伪距单点定位误差

由图5可知,METG站BDS-3卫星B1I/B3I频率组合的伪距单点定位E、N方向误差在6 m以内,U方向误差在15 m以内,GPS卫星L1/L2频率组合的伪距单点定位E、N方向误差在3 m以内,U方向误差在9 m以内.

如图6所示,SOD3站BDS-3卫星B1I/B3I频率组合的伪距单点定位E、N方向误差在5 m以内,U向误差在12 m以内,GPS卫星L1/L2频率组合的伪距单点定位E、N方向误差在4 m以内,U方向误差在10 m以内.发现双频组合伪距单点定位误差大于单频,是因为双频组合使观测噪声放大,降低了伪距单点定位精度.

进一步统计两个跟踪站双频伪距单点定位RMS值如下.

(a)B1I/B3I (b)L1/L2图6 SOD3站双频伪距单点定位误差

表2 BDS-3双频伪距单点定位RMS值

如表2所示,METG站BDS-3卫星B1I/B3I频率组合下伪距单点定位E方向RMS值优于1 m,N方向RMS值优于2 m,U方向RMS值优于3 m,相比于GPS卫星L1/L2频率组合下各方向的RMS值略大;SOD3站BDS-3卫星B1I/B3I频率组合下伪距单点定位E、N方向RMS值优于2 m,U方向RMS值优于4 m,相比于GPS卫星L1/L2频率组合下各方向的RMS值略大.

3 结 论

针对北极地区BDS-3定位性能,本文以北极地区IGS连续跟踪站实测数据为基础,分析了北极地区BDS-3卫星B1I频率和B3I频率单频伪距单点定位精度与B1I/B3I组合下的双频伪距单点定位精度,经研究发现:

1) 北极地区BDS-3卫星可见数与GPS卫星可见数一致,BDS-3卫星PDOP值与GPS值一致,表明当前状况下BDS-3卫星空间分布结构与GPS相当.

2) 北极地区BDS-3卫星B1I频率和B3I频率单频伪距单点定位精度相当,E、N方向定位精度优于1 m,U方向精度优于3 m,相比于GPS卫星L1频率伪距单点定位精度略差.

3) 北极地区BDS-3卫星B1I/B3I频率组合伪距单点定位精度低于B1I频率与B3I频率单频伪距单点定位精度,相比于GPS卫星L1/L2频率组合下的伪距单点定位精度略差.

本文只分析了当前情况下北极地区BDS-3卫星的B1I频率与B3I频率的伪距单点定位精度,相信BDS-3完全建成,北极地区BDS定位精度会有所提升.