北斗三号与北斗二号卫星观测数据对比分析

天津七一二通信广播股份有限公司 吕琳 韩明 张建军 吕自鹏

随着北斗三号向用户提供全天时、全天候、高精度全球定位导航服务，观测数据评估工作成为系统应用研究的重要环节，本文采集相同测试环境下的北斗二号与北斗三号卫星观测数据，针对载噪比、多路径效应和定位精度等方面完成分析与评估。结果表明，BDS-2与BDS-3星座载噪比均在40dB-Hz以上，信号质量较好，多径效应均在50cm以内，抗多径能力强，BDS-3在E和U方向上定位精度更高。

从北斗二号系统到北斗三号系统，北斗三号系统的服务区域扩展到全球，性能指标大幅提升，功能也得到显著增强[1]。相较于北斗二号系统，北斗三号系统在以下性能方面得到了提升：(1)更高的精度，北斗三号系统建成后，全球定位精度提高到10～12m；在亚太地区定位精度，由原来的6m提升至5m。(2)更强的原子钟，北斗三号卫星采用了更高性能的铷原子钟和氢原子钟。(3)更新的技术，北斗三号卫星通过采用新的技术，空间信号精度优于0.5m。(4)更优的信号。北斗三号卫星增加了性能更优的互操作信号B1C，同时，在全球系统中将B2I信号升级为性能更优的B2a信号[2-3]。另外，北斗三号系统还可提供星基增强服务、国际搜索救援服务等。

为了充分分析北斗二号和北斗三号卫星的信号数据质量，本文在同一时间，同一地点，同一测试环境下采集了监测站24小时的数据，从载噪比、多路径效应和定位精度等方面进行了充分的对比分析，主要分析的信号及频点如表1所示，分析结果为系统全面利用北斗三号卫星导航信号提供技术参考和依据。

表1 卫星信号、频点、中心频率对应关系Tab.1 Correspondence between satellite signal, frequency point and center frequency

1 卫星信噪比

信噪比是指载波信号平均功率与噪声平均功率的比值[4]，用于评估接收机接收信号的能力及其信号跟踪捕获的性能，是衡量载波相位观测量的重要指标。

计算公式如下：

其中，ki为观测历元，n为卫星数，CNR为载噪比。

如图1所示，x轴BDSS1X、BDSS2I、BDSS5X 、BDSS6I对应的频点分别为 B1c、B1、B2a、B3，y轴为信噪比，BDS-2和BDS-3信号（除B2b外）一天内的载

图1 卫星信号载噪比SNR Fig.1 SNR of satellite signal

噪比均值均在40dB-Hz以上，北斗卫星信噪比高，表明卫星信号质量好，B2b低于40dB-Hz。

2 多路径效应

多路径效应即多路径误差，指接收天线除直接收到卫星发射的信号还可能收到经天线周围物体一次或多次反射的卫星信号，两种信号叠加会使观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制，甚至导致接收的卫星信号失锁和载波相位观测量产生周跳[5]。

多路径计算利用双频观测数据，公式如下：

其中，A、B为不同的频点，p、 、f为观测伪距、φ载波相位和频率。

如图2所示可以看出，x轴BDSM1X、BDSM2I、BDSM5X 、BDSM6I对应的频点分别为B1c、B1、B2a、B3，y轴为多径效应RMS，均在50cm以内，说明北斗系统具有较好的抗多径能力，其中B2a频点受环境影响较大，抗多径效应较弱。

图2 BDS-3多路径误差均值Fig.2 Mean value of BDS-3 multipath error

3 定位精度

定位精度是指接收机定位结果与真实位置的接近程度[6]。如图3所示，BDS-2和BDS-3单点定位精度坐标分量误差北（N）、东（E）方向均优于天顶（U）方向，E方向精度最高，U方向精度最差。整体上，BDS-3定位精度优于BDS-2定位精度，在E和U方向上，BDS-3的定位结果均方根RMS（1sigma）优于BDS-2，定位精度明显得到了提升。

图3 (b) BDS-3 定位误差RMSFig.3 (b) BDS-3 positioning error RMS

图3 (a) BDS-2 定位误差RMSFig.3 (a) Positioning error RMS of BDS-2

4 结论

卫星导航定位的可靠性及准确性依赖于卫星观测信号的质量，本文通过采集北斗二号和北斗三号的实际观测数据，从载噪比、多路径效应和定位精度等方面进行了分析，并尤其对B1、B3、B1C和B2a频点进行了数据质量分析。具体评估结果如下：

(1)BDS-3与BDS-2观测卫星数载噪比均值均在40dB-Hz以上，信号质量较好；载噪比越高，接收机接收信号能力越强，数据的完整率会越高。

(2)北斗卫星导航系统使用的信号具有不同的频谱，可有效抑制多路径效应，更大程度地降低了对信号的干扰；B1、B3，B1C、B2a多径效应均在50cm以内，其中B2a频点受环境影响较大，抗多径效应较弱；(3)BDS-3在E和U方向上定位精度明显优于BDS-2。