Galileo双频/三频SPP定位精度分析

柳浩天,刘承禹，赵娟，吴皓，程熙

(1.西华师范大学,四川 南充 637000; 2.96901部队，北京 100089)

0 引 言

Galileo卫星导航系统是欧洲自主设计研发的民用卫星导航系统[1-2],Galileo系统于20世纪末开始建设,计划由30颗卫星组成且于2020年建设完毕,但2019年7月14日由于技术故障导致部分导航服务中断,2019年8月18日恢复正常[3-5]．Galileo系统播发多频信号,其中公开服务的主要有E1、E5a、E5b和E6四个频率,其中E1和E5a频率与其他卫星导航系统播发的频率重叠,保证了其与其他导航系统组合定位的兼容性[6-8]．对于Galileo系统的定位性能,很多学者分析了其与其他导航系统组合定位性能,文献[9]初步评估北斗三号(BDS-3)试验星/GPS/Galileo短基线紧组合相对定位性能,发现相同类型接收机组成的基线系统偏差几乎为0,紧组合模型相较松组合模型明显提升了模糊度固定的成功率与可靠性,尤其是在卫星可见数较少、单频观测情况下效果最为明显;文献[10]分析了GPS/Galileo/QZSS兼容频率间的数据质量以及定位性能,发现L1频率和L5频率数据质量良好,QZSS系统数据质量最优,而L1频率组合定位精度最高,而QZSS/Galileo组合定位精度较低;文献[11]针对单系统遮挡环境下定位性能较差问题,分析了6种不同截止高度角下BDS/GPS/GLONASS/Galileo多模组合SPP定位性能,发现在极端高度角为45°时,4系统组合定位较GPS单系统历元可用率、定位精度有明显提升,且定位性能更加稳定;文献[12]基于大量MGEX跟踪站实测数据,从数据可用率、数据完整率、多路径效应几个方面对比分析了北斗卫星导航系统(BDS)与Galileo数据质量,发现BDS/Galileo组合已具备全球定位能力,BDS数据质量比Galileo数据质量略差,与GPS系统数据质量相当;文献[13]分析了GPS/Galileo实时精密单点定位精度,发现GPS/Galileo组合实时静态精密单点定位精度与收敛时间较GPS单系统都有明显的提升．

鉴于当前对Galileo单系统定位性能研究的现状,本文基于MGEX跟踪站多频Galileo数据,分别采用双频无电离层组合模型和三频无电离层两两组合模型分别解算Galileo双频与三频数据,根据解算得到的双频和三频单点定位(SPP)结果,进一步分析Galileo系统双频与三频SPP定位精度．

1 Galileo双频与三频SPP定位模型

Galileo主要观测值为伪距观测值与载波观测值,其中SPP常用的观测值类型为伪距观测值,而双频组合SPP定位常用的模型为双频无电离层组合模型,其公式可以表示如下[14]

(1)

在利用三频无电离层两两组合模型进行定位时,为保证两个双频无电离层参数的一致性,因此需要引进一个伪距间偏差参数,三频无电离层两两组合线性观测方程可表示为[15]:

(2)

利用式(1)、(2)进行双频和三频SPP定位时,其中卫星轨道和卫星位置由IGS官网下载的广播星历计算得到,采用Saastamoinen 模型进行对流层延迟改正,接收机钟差可以吸收接收机与卫星端码延迟,采用卡尔曼滤波算法进行参数估计．

2 数据处理分析

2.1 数据源及处理策略

为详细分析Galileo系统双频与三频SPP定位精度,本文选用MGEX参考站DWIN的Galileo系统多频实测数据,观测时间为2020年4月16日—2020年4月20日00:00:00-24:00:00,采样间隔为30 s．

采用RTKLIB软件进行数据解算,在进行解算时,首先利用无电离层组合模型处理E1/E5a、E1/E5b、E5a/E5b、E1/E6四种双频组合数据,然后利用三频无电离层两两组合模型处理E1/E5a/E5b、E1/E6/E5b两种三频组合数据,以IGS周解算坐标作为参考值,以便计算Galileo双频与三频SPP定位误差与精度．

2.2 定位精度分析

首先分析Galileo系统的卫星可见数与位置精度因子(PDOP)值,如图1所示．

图1 卫星可见数与PDOP值

图1中,在整个观测时段,Galileo系统的卫星可见数与PDOP值变化较大,卫星可见数最多为8颗,最低为4颗,平均卫星可见数为6颗,PDOP值最大为19.34,最低为1.86,平均PDOP值为3.69．

根据数据处理策略,IGS周解算坐标作为参考值,将解算得到的全部历元与参考值做差,得到Galileo不同双频与三频组合SPP定位误差序列如图2所示．

(a)E1/E5a (b)E1/E5b (c)E5a/E5b

图2中,Galileo双频组合E1/E5a、E1/E5b组合SPP定位误差较小,E5a/E5b、E1/E6组合SPP定位误差较大,而三频组合E1/E5a/E5b、E1/E6/E5b组合较任一双频组合SPP定位误差都有明显减小．E1/E5a组合SPP在X方向定位误差在±6 m之内波动,Y方向定位误差在±15 m之内波动,Z方向定位误差在±20 m之内波动;E1/E5b组合SPP在X方向定位误差在±5 m之内波动,Y方向定位误差在±10 m之内波动,Z方向定位误差在±20 m之内波动;E5a/E5b组合SPP在X方向定位误差在±50 m之内波动,Y方向定位误差在±50 m之内波动,Z方向定位误差在±300 m之内波动;E1/E6组合SPP在X方向定位误差在±30 m之内波动,Y方向定位误差在±50 m之内波动,Z方向定位误差在±200 m之内波动;E1/E5a/E5b组合SPP在X方向定位误差在±4 m之内波动,Y方向定位误差在±5 m之内波动,Z方向定位误差在±10 m之内波动;E1/E6/E5b组合SPP在X方向定位误差在±3 m之内波动,Y方向定位误差在±5 m之内波动,Z方向定位误差在±10 m之内波动．

根据计算得到的Galileo系统双频与三频定位误差,统计X、Y、Z方向的均方根(RMS)值,然后取5天的RMS的均值进行对比分析,并且统计三频组合SPP定位精度相较双频SPP对应方向定位精度的提升,如表1所示．

表1 Galileo三频与双频SPP定位精度(RMS值)统计

如表1所示,Galile系统双频SPP定位E1/E5b定位精度最高,X方向和Y方向定位精度优于1 m,Z方向定位精度优于2.5 m;其次是E1/E5a组合定位,X方向和Y方向定位精度优于1.1 m,Z方向定位精度优于3 m;而E5a/E5b和E1/E6组合定位精度最差,X方向和Y方向定位精度低于5 m,Z方向定位精度低于20 m,不能满足普通的定位要求．Galileo三频组合SPP定位精度较双频组合SPP定位精度有明显提升,X方向定位精度优于0.6 m,Y方向定位精度优于0.8 m,Z方向定位精度优于2.3 m．同时发现,Galileo系统两种三频组合SPP定位精度较E5a/E5b和E1/E6两种双频组合SPP定位在X方向、Y方向、Z方向定位精度提升量在90%左右,而对E1/E5a和E1/E5b两种双频组合SPP定位X方向、Y方向、Z方向定位精度的提升量一次递减,对X方向定位精度提升量在40%左右,对Y方向定位精度提升量在20%左右,对Z方向定位精度提升量在10%左右．

3 结束语

为详细分析Galileo系统双频与三频SPP定位精度,本文基于MGEX跟踪站Galileo多频实测数据,采用双频无电离层组合模型和三频无电离层两两组合模型分别解算E1/E5a、E1/E5b、E5a/E5b、E1/E6双频和E1/E5a/E5b、E1/E6/E5b三频组合SPP定位结果,经研究发现:

1) Galileo在亚太地区卫星可见数较少,平均卫星可见数只有6颗,其卫星空间几何构型也较差,平均PDOP值为3.69．

2) Galileo系统E1/E5b和E1/E5a双频组合SPP定位精度较高,能满足一般的定位要求,而E5a/E5b和E1/E6双频组合定位精度过低,不能满足一般的定位要求,不适合进行单点定位．

3) Galileo系统三频组合SPP定位精度较双频组合SPP定位精度有明显提升,其中X方向和Y方向定位精度优于0.8 m,Z方向定位精度优于2.3 m,能为今后Galileo系统多频组合定位研究提供一定的参考．