北斗全球系统GEO卫星SBAS信号质量评估

蒲俊宇，李晓杰，郭睿，唐成盼，王梦兰

(1.32021部队，北京100094；2.中国科学院 上海天文台，上海200030)

1 引言

星基增强系统(satellite-based augmentation system,SBAS)是一种为高端导航用户，特别是民航用户提供的生命安全服务，其完好性、实时性、可靠性和精度指标的要求均比基本导航更高[1－3]。中国将于2020年全面完成北斗三号组网建设，届时也将为中国及其周边地区提供星基增强服务[4]。中国的星基增强服务将遵循兼容互操作的原则，依据美国航空无线电委员会(radio technical commission for aeronautics,RTCA)制定的RTCA DO-229D标准[5]，以及国际互操作工作组(interoperability working group,IWG)制定的L5频点双频多星座(dual frequency multi-constellation,DFMC)SBAS接口协议草案编排地球同步轨道(geosynchronous earth orbit,GEO)卫星SBAS频点的电文信息格式[6,7]。根据接口协议，GEO卫星除了播发差分改正数和完好性信息以外，还将播发本星的轨道和钟差信息。此外，值得注意的是，为实现兼容互操作，北斗三号GEO卫星在频点BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a的信号体制设计与美国全球定位系统(global positioning system,GPS)频点L1CA和L5完全一致。因此，北斗三号GEO卫星可联合GPS系统中地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星实现增强定位，且不会因跨导航系统而引入系统误差，这将在一定程度上改善GPS星基增强用户的位置精度因子(position dilution of precision,PDOP)。

需要说明的是，实现北斗三号GEO卫星和GPS卫星的联合增强定位需要从多角度进行对比评估，包括空间基准、时间基准、轨道产品、钟差产品、硬件延迟等，而信号质量是影响定位精度的基本和首要因素，本文将从数据完整率、载噪比和伪距多路径误差的角度，在中国华北、东北、东南、西南以及西北地区设立5个全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)多模接收机测站，以2019年10月27日至2019年10月29日的北斗和GPS观测数据为样本评估北斗三号GEO-1卫星，即C59卫星在频点BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a上的信号质量，并与GPS卫星在频点L1CA和L5上的信号质量进行对比。

2 数据完整率

数据完整率是衡量信号质量的指标之一，其主要用于反映观测数据的连续性和完备性[8,9]。数据完整率是否达标直接决定导航服务能否正常运转和调度，尤其对于星基增强这种高实时性的导航业务来说，数据完整率显得尤为重要。数据完整率主要受到卫星和接收机状态以及测站周边环境的影响，可表示为：

其中，Nsati为用户按照接收机收到的卫星i理论数据个数，nsati为用户收到的卫星i实际数据个数。

数据完整率统计结果如表1所示，其中，华北和东南测站结果如图1和图2所示。图1和图2中，蓝色部分为GPS卫星，红色部分为北斗GEO-1卫星。需要说明的是，在GPS系统中，只有BLOCK IIF,BLOCK III和未来新一代卫星才能发播L5射频信号。从图1和图2可看出，多模接收机目前只能接收到13颗GPS卫星的L5观测数据[10]。

表1 数据完整率统计表

图1 华北测站数据完整率

图2 东南测站数据完整率

如表1所示，在L1CA(BDSBAS-B1C)频点，GPS卫星平均数据完整率为99.98%，北斗C59卫星平均数据完整率为99.19%；在L5(BDSBAS-B2a)频点，GPS卫星平均数据完整率为99.50%，北斗C59卫星平均数据完整率为99.19%。

因此，北斗C59卫星在SBAS频点上的平均数据完整率大于99%，与GPS卫星对应频点无明显差距，基本满足联合增强定位和SBAS服务完好性、实时性的需求。

3 载噪比

载噪比是用于反映观测数据信号强度的指标，其定义为载波信号强度与噪声信号强度之比。载噪比主要受到天线增益状态、接收机相关器件状态以及信号传播路径状态等的影响，是表征信号从卫星端发射到用户端接收过程信号增益和损耗的综合品质参数[11,12]。载噪比一般可从观测数据文件中直接获取。

本文选取4颗不同轨道面的健康的GPS卫星G6,G10,G25,G32，与北斗C59卫星进行对比，载噪比平均值统计结果如表2所示。我们还得到华北和东南测站的载噪比，如图3和图4所示。

表2 载噪比统计表

需要说明的是，本文试验所用接收机记录的是原始载噪比量化后的值，量化单位为1 dBHz，具体量化规则为：0表示小于40 dBHz；1表示40～41 dBHz；2表示41～42 dBHz；……；30表示69～70 dBHz。

由图3和图4可知，在3 d的统计时段内，4颗GPS卫星出现了3个完整的可视弧段，其载噪比随着卫星仰角的升高而增加，载噪比变化具有明显的周日特性；在3 d的统计时段内，C59卫星一直处于可视状态，其载噪比处于一个相对稳定的区间，仅在小范围内上下波动。

对于4颗GPS卫星，L1CA频点载噪比量化均值为7.8，L5频点载噪比量化均值为8.2，如表2所示；对于北斗C59卫星，BDSBAS-B1C频点载噪比量化均值为15.7，BDSBASB2a频点载噪比量化均值为16.2。因此，在L1CA(BDSBAS-B1C)频点，北斗C59卫星的载噪比要比GPS卫星平均值高7.9 dBHz；在L5(BDSBAS-B2a)频点，北斗C59卫星的载噪比要比GPS卫星平均值高8.0 dBHz。

图3 华北测站载噪比

图4 东南测站载噪比

4 多路径效应

从卫星到接收机的传播过程中，由于建筑物遮挡等原因导航信号会发生反射，反射信号与直射信号相互干涉叠加导致观测失真，这种现象称为多路径效应。多路径效应是GNSS定位的主要误差源之一，与测站环境、卫星高度角、卫星性能、接收机天线性能等多种因素相关，且多路径误差与观测噪声耦合在一起，难以通过构建误差模型进行削弱[13,14]。此外，多路径误差不具有空间相关性，也无法通过差分的手段进行削弱。一般可利用多路径组合法(multipath combination,MPC)提取伪距多路径误差[15]，该方法利用伪距观测量和双频载波观测量组合，消除几何误差和电离层误差，从而实现伪距多路径误差提取。假设有A,B两路频点观测数据，频点A观测数据多路径误差提取公式为：

其中，PA为频点A伪距观测量，φA为频点A载波观测量，λA为频点A载波波长，φB为频点B载波观测量，λB为频点B载波波长，α为A,B两路频点观测数据频率平方之比，即，CA为频点A中间序列，MPA为频点A多路径误差序列。

频点B观测数据多路径误差提取公式为：

其中，PB为频点B伪距观测量，CB为频点B中间序列，MPB为频点B多路径误差序列。

本文选取4颗不同轨道面的健康的GPS卫星G6,G10,G25,G32，与北斗C59卫星进行对比，并得到多路径误差均方根值(RMS)统计结果如表3所示。我们还得到华北和东南测站的多路径误差，如图5和图6所示。

表3 多路径误差统计表

与载噪比类似，从图5和图6可看出在3 d的统计时段内，4颗GPS卫星出现了3个完整的可视弧段，其多路径误差在卫星仰角较低时偏大，随着仰角升高逐渐减小，多路径误差具有明显的周日变化特性；还可看出在3 d的统计时段内C59卫星一直处于可视状态，其多路径误差也具有较明显的周日变化特性。

图5 华北测站多路径误差

图6 东南测站多路径误差

如表3所示，对于4颗GPS卫星，L1CA频点多路径误差均方根平均为0.24 m，L5频点多路径误差均方根平均为0.25 m；对于北斗C59卫星，BDSBAS-B1C频点多路径误差均方根平均为0.18 m，BDSBAS-B2a频点多路径误差均方根平均为0.21 m。

因此，在L1CA(BDSBAS-B1C)频点，北斗C59卫星的多路径误差比GPS卫星平均值低0.06 m；在L5(BDSBAS-B2a)频点，北斗C59卫星的多路径误差比GPS卫星平均值低0.04 m。

5 结论

为在中国及其周边地区实现北斗三号GEO卫星与GPS卫星无系统偏差的联合增强定位，本文从数据完整率、载噪比以及伪距多路径误差三个角度对北斗三号GEO-1卫星和GPS卫星在L1CA(BDSBAS-B1C)频点和L5(BDSBAS-B2a)频点的信号质量进行了对比分析，并得到以下结果。

1)北斗三号GEO-1卫星在BDSBAS-B1C频点和BDSBAS-B2a频点上的平均数据完整率达到99%以上，与GPS卫星对应频点无明显差距。

2)在L1CA(BDSBAS-B1C)频点，北斗三号GEO-1卫星的载噪比要比4颗GPS卫星平均值高出7.9 dBHz；在L5(BDSBAS-B2a)频点，北斗三号GEO-1卫星的载噪比要比4颗GPS卫星平均值高出8.0 dBHz。

3)在L1CA(BDSBAS-B1C)频点，北斗三号GEO-1卫星的多路径误差比4颗GPS卫星平均值低0.06 m；在L5(BDSBAS-B2a)频点，北斗三号GEO-1卫星的多路径误差比4颗GPS卫星平均值低0.04 m。

本文在中国境内选取了均匀分布的5个GNSS多模接收机测站对北斗三号GEO卫星与GPS卫星的SBAS信号质量进行了对比分析，结果表明北斗三号GEO-1卫星对应频点的载噪比明显高于GPS卫星，多路径误差略低于GPS卫星，数据完整率水平与GPS卫星基本一致，说明北斗三号GEO-1卫星的SBAS信号质量优于GPS卫星，因而可服务于BDSBAS系统GPS用户。待星座部署完成后，我们将对其余北斗三号GEO卫星进行类似的评估，并对联合增强定位所涉及的空间基准、时间基准、轨道产品、钟差产品、硬件延迟等问题进行详细论证，最终完成联合增强定位试验。