北半球高纬地区北斗三号定位性能分析

王胜骞，韩 琦，王 星，王洪龙，宋大鹏

（1.山东正元数字城市建设有限公司，山东 烟台 264000）

北半球高纬地区即北纬60°以北的广大区域，自然条件恶劣，常年被冰雪覆盖，但存储着非常丰富的自然资源[1-2]。随着全球对北半球高纬地区考察的加快，考察过程中位置与路线的确定、考察结果的可靠性是非常重要的，因此卫星导航定位系统在北极考察中具有不可替代的作用[3-4]。我国的北斗卫星导航系统（BDS）已完成了北斗二号（BDS-2）、北斗三号（BDS-3）的建设，可向全球提供高精度导航与定位服务。BDS-2卫星主要分布在亚太地区，能对北半球高纬度大部分地区进行覆盖，但不能提供连续可靠的定位；随着BDS-3的完善，相信BDS可在北半球高纬地区实现高精度导航与定位[5]。BDS定位精度的可靠性与可行性很大程度上取决于其数据质量，数据质量越好定位精度越高，反之定位精度越低甚至不能进行定位，因此在数据处理前进行数据质量分析是十分必要的[6-7]。自BDS-3建设以来，很多学者对其数据进行了评估，如程军龙[8]等对BDS-3观测数据的质量和定位精度进行了初步评估，结果表明BDS-3的B3I频率高于BDS-2，其他频率相当，BDS-3的伪距B2a、B2b和B3I与BDS-2的B3I大小相当，B1I、B1C与B1I、B2I大小相当，BDS-3中没有观测到系统偏差，BDS-3的观测噪声与BDS-2相当，BDS-3卫星的加入有效改善了卫星几何分布、伪距单点定位与短基线相对定位精度；李涌涛[9]等评估了BDS-3新信号B1C和B2a观测数据的质量，结果表明B1C数据完整率大于B2a，B2a的多路径误差、伪距噪声和载噪比优于B1C，BDS-3的伪距噪声大于GPS和Galileo，其数据完整率、多路径误差、载噪比与GPS、Galileo相当；张楷时[10]等评估了BDS-3 MEO组网卫星数据的质量，发现其数据质量良好，定位性能优良。

通过上述研究可知，对于北半球高纬地区BDS-3数据质量的评估较少，因此本文以位于北半球高纬地区的跟踪站实测数据为基础，从卫星可见数、PDOP值、数据完整率、信噪比、多路径等方面评估了BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3数据的质量，并分析了3种情况下的伪距单点定位与精密单点定位精度。

1 卫星可用性

本文选取位于北极地区的SOD3站连续7 d的实测数据，采样频率为30 s，接收机类型为JAVAD TRE_3 DELTA，天线类型为JAVRINGANT_DM，能同时接收BDS-2和BDS-3卫星B1I、B2I（B2b）、B3I信号。BDS-3卫星保留了BDS-2卫星的B1I和B3I频率，将BDS-2的B2I频率改名为B2b，频率不变，改变了调制类型。卫星可用性是决定定位精度高低的基础，主要包括卫星可见数和PDOP值。本文对卫星可见数和卫星空间几何结构进行了分析，结果如图1、2所示。

图1 卫星可见数

由图1可知，在观测的前6 h，BDS-3的卫星可见数少于BDS-2，随后BDS-3的卫星可见数多于BDS-2，BDS-2/BDS-3组合下卫星可见数比BDS-2、BDS-3有明显增加。由图2可知，BDS-2的PDOP值很大，表明北半球高纬地区BDS-2卫星空间几何结构很差；BDS-3的PDOP值小于BDS-2，再结合图1可以发现，BDS-3的PDOP值随着卫星数量的减少明显增加；而BDS-2/BDS-3组合下的PDOP值明显小于BDS-2、BDS-3，表明BDS-2/BDS-3的卫星空间几何结构有了明显改善。

图2 PDOP值

2 数据质量评估

数据质量在很大程度上决定了定位精度的可靠性，因此在数据处理前进行数据质量评估是十分必要的。常规的数据质量评估指标包括数据完整率、信噪比、多路径和周跳比等，本文从信噪比、多路径两个方面来评估北半球高纬地区BDS-3数据的质量。

2.1 信噪比

信噪比是信号观测强度与观测噪声的比值，是表示观测信号强度的主要指标。信噪比越大表明观测信号强度越强，可直接从观测文件中获取。BDS-2和BDS-3各频率的信噪比如图3所示，可以看出，BDS-2和BDS-3的MEO卫星信噪比变化趋势相当，且在高度角变化过程中大于部分BDS-2卫星信噪比。

图3 信噪比

为了进一步对比分析BDS-2和BDS-3的信噪比，本文计算得到BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3各频率的平均信噪比，结果如图4所示，可以看出，BDS-3的平均信噪比最优，BDS-2/BDS-3次之，BDS-2最差；B1I频率BDS-2的平均信噪比为42.99 dB-Hz，BDS-3的平均信噪比为45.71 dB-Hz，BDS-2/BDS-3的平均信噪比为43.57 dB-Hz；B2I/B2b频率BDS-2的平均信噪比为43.25 dB-Hz，BDS-3的平均信噪比为48.54 dB-Hz，BDS-2/BDS-3的平均信噪比为46.02 dB-Hz；B3I频率BDS-2的平均信噪比为43.17 dB-Hz，BDS-3的平均信噪比为47.89 dB-Hz，BDS-2/BDS-3的平均信噪比为45.82 dB-Hz；B3I与B2I/B2b频率的信噪比相当，优于B1I频率的信噪比。

图4 平均信噪比

2.2 多路径

多路径是接收机接收到经过地物反射的多种卫星信号叠加而产生的延迟，也是评估数据质量的主要指标之一。BDS-2和BDS-3各频率的多路径结果如图5所示，可以看出，BDS-2、BDS-3各频率多路径随着高度角的增加而减小，3个频率的多路径均为3 m，但在BDS-3中没有观测到BDS-2中存在的系统偏差，这对于伪距单点定位精度的提升具有重要意义。

图5 多路径

本文进一步统计了BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3各频率多路径RMS值，如图6所示，可以看出，BDS-3的多路径RMS值最小，BDS-2/BDS-3次之，BDS-2最大；B1I、B2I/B2b、B3I的多路径RMS值呈递减趋势；B1I频率BDS-2的多路径RMS值为0.59 m，BDS-3的多路径RMS值为0.46 m，BDS-2/BDS-3的多路径RMS值为0.53 m；B2I/B2b频率BDS-2的多路径RMS值为0.43 m，BDS-3的多路径RMS值为0.26 m，BDS-2/BDS-3的多路径RMS值为0.34 m；B3I频率BDS-2的多路径RMS值为0.35 m，BDS-3的多路径RMS值为0.29 m，BDS-2/BDS-3的多路径RMS值为0.31 m。

图6 多路径RMS值

3 定位性能分析

对于北半球高纬地区BDS的定位性能，本文主要分析了BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3三种情况下B1I、B2I/B2b、B3I频率的伪距单点定位精度，B1I/B2I（B2b）、B1I/B3I、B2I（B2b）/B3I三种组合下的精密单点定位精度。

3.1 伪距单点定位

伪距单点定位是利用伪距观测值，采用单台GNSS接收机确定接收机绝对位置的测量方式，被广泛应用于船舶车辆导航中。3种情况下的伪距单点定位精度如图7所示，可以看出，在北半球高纬地区，BDS-2的B1I、B2I、B3I频率伪距单点定位E方向和N方向的定位精度优于4 m，U方向的定位精度约为6 m；BDS-3各频率E方向和N方向的定位精度优1 m，U方向的定位精度优于2 m；BDS-2/BDS-3各频率的定位精度优于BDS-2、BDS-3，E方向和N方向的定位精度优于0.5 m，U方向的定位精度优于1.5 m；北极地区BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3三种情况下各频率的伪距单点定位精度相当。

图7 伪距单点定位精度

3.2 精密单点定位

在进行双频精密单点定位数据处理时，模型采用双频无组合电离层模型，精密星历与钟差采用武汉大学研发的对应产品，计算得到不同组合下的定位精度如图8所示，可以看出，北半球高纬地区B1I/B2I（B2b）、B1I/B3I对应的相同卫星系统精密单点定位精度相当，BDS-2卫星E方向和N方向的定位精度约为10 cm，U方向的定位精度优于30 cm；BDS-3卫星E方向和N方向的定位精度优于10 cm，U方向的定位精度优于25 cm；BDS-2/BDS-3组合E方向和N方向的定位精度优于6 cm，U方向定位精度优于20 cm。相较于另外两种组合，B2I（B2b）/B3I组合的精密单点定位精度略差，BDS-2卫星E方向和N方向的定位精度约为20 cm，U方向的定位精度优于40 cm；BDS-3卫星E方向和N方向的定位精度约为10 cm，U方向的定位精度优于30 cm；BDS-2/BDS-3组合E方向和N方向的定位精度优于10 cm，U方向的定位精度优于25 cm。

图8 精密单点定位精度

4 结语

为详细分析BDS-3在北半球高纬地区的定位情况，本文基于位于北半球高纬地区的SOD3站，评估了北半球高纬地区BDS-3数据的质量，分析了北半球高纬地区BDS-3的伪距单点定位精度和精密单点定位精度，经研究发现：

1）北半球高纬地区BDS-3的卫星可见数与卫星空间几何结构优于BDS-2，而BDS-2/BDS-3组合可有效改善北半球高纬地区BDS的卫星可见数和卫星空间几何结构。

2）在北半球高纬地区，BDS-3各频率的平均信噪比约比BDS-2高5 dB-Hz。BDS-2/BDS-3组合的平均信噪比优于BDS-2，小于BDS-3。各频率对应卫星的平均信噪比相当。BDS-2和BDS-3的多路径在3 m以内。BDS-3的多路径RMS值最小，BDS-2/BDS-3次之，BDS-2最大。B1I、B2I/B2b、B3I的多路径RMS值呈递减趋势，且BDS-3中没有观测到系统偏差。

3）在北半球高纬地区，BDS-2的伪距单点定位精度较差，BDS-3的伪距单点定位精度较优，3个频率E方向和N方向的定位精度优于1 m，U方向的定位精度优于2 m。BDS-2的双频组合精密单点定位精度较差，BDS-3的双频组合精密单点定位精度较优，3种组合频率E方向和N方向的定位精度优于10 cm，U方向的定位精度优于30 cm。BDS-2/BDS-3的伪距单点定位和精密单点定位精度均明显优于BDS-2和BDS-3。