Galileo 多频数据质量及定位性能分析

2022-06-07 02:39:30
经纬天地 2022年2期
关键词:多路径单点定位精度

赖 斌

(三明新基建产业发展有限公司,福建 三明 365001)

0.引言

在二十世纪末期,欧盟通过全球定位系统(Global Positioning System,GPS)在战争中的应用充分认识到卫星导航系统对于国家安全的重要性,因此决定建设属于自己的卫星导航定位系统[1]。Galileo系统建设计划分为两步:第一步预计于2005年前建设完成欧洲地球同步卫星导航增强服务系统,第二步预计于2011年建成完全独立的民用全球卫星导航系统,即伽利略卫星导航系统(Galileo Navigation satellite system,Galileo)[1-3]。Galileo系统的发展历程比较艰辛,建设初期与美国进行了长达四年的频率之争,之后又与我国北斗卫星导航系统发生频率之争、与英国发生专利之争,最终Galileo系统于2016年进行了试运行,于2019年具备完全运行能力[1,4-6]。Galileo系统在建设完成之后,共计有30颗卫星,其中正式卫星24颗,备用卫星6颗,但在运行过程中发生过两次故障,分别为2017年1月的原子钟故障和2019年的服务中断。Galileo系统与其他三个GNSS系统一样,可以播发多频信号,分别为E1频率、E5a频率、E5b频率、E6频率以及E5a+b频率,其中E1频率和E5a频率与其他GNSS系统频率兼容。Galileo作为全球四大卫星导航定位系统之一,自运行以来,其数据质量以及定位性能备受关注。文献研究发现,初始运行阶段的Galileo双频标准单点定位的水平精度优于2m,垂向精度优于4m,观测实测达到24小时静态精密单点定位水平精度优于1cm,垂直定位精度优于3cm。文献研究发现,Galileo系统广播星历轨道误差的均方根误差切向在2m以内、法向在1m以内、径向优于0.5m,差均方根在3ns以内,其标准定位性能三维定位精度较优。文献研究发现,整体来说Galileo系统E5数据质量最优,其余信号数据质量相当,且略优于BDS与GPS数据质量,其单频伪距单点定位水平精度约为2.2m,与BDS、GPS定位精度相当,但高程方向精度略差。文献研究发现,非组合模型下Galileo双频组合短基线相对定位精度优于5cm,高程精度优于10cm,而三频组合定位精度较双频定位精度有非常明显提示,水平和高程定位精度都优于4cm。文献研究发现,Galileo系统E5a/E5b和E1/E6双频组合不适合进行伪距单点定位,三频组合伪距单点定位精度较双频组合有所提示,水平定位精度优于0.8m,高程方向定位精度优于2.3m。文献研究发现,Galileo系统三频非组合静态与动态精密单点定位精度相比双频组合都有较大提升,对于单日解,静态精密单点定位水平定位精度优于1cm,高程精度优于2cm,动态精密单点定位水平定位精度优于5cm,高程精度优于10cm。

1.Galileo 系统简介

Galileo系统与GPS系统、BDS系统一样,由三部分组成:空间段即24颗卫星、地面段即2个Galileo控制中心、用户段即广大Galileo系统用户。Galileo系统的24颗正式工作卫星和6颗备用卫星均为中远地球轨道卫星,卫星空间运行图(如图1所示),Galileo系统卫星可用性(如图2所示)。通过图2可知,在全天24小时观测时段内,可以保证每个时段都有Galileo系统卫星可用。当前建设完成的Galileo各方面性能较优,但其运行期间出现的2次故障值得我国北斗卫星定位系统借鉴,与此同时,为确保Galileo系统持续稳定地运行,欧盟在GNSS“地平线2020卫星项目”的支持下,计划于2024年发射第二代Galileo卫星,开始第二代Galileo系统的建设与研发。第二代Galileo系统卫星数与第一代相同,且保留了第一代Galileo系统所有服务功能,重新设计和改进新的服务能力,并且对卫星轨道重新配置[1]。

图1 Galileo系统卫星运行图

图2 Galileo系统卫星可用性

2.Galileo 基本观测方程

Galileo系统与其余GNSS系统一样,通过伪距观测值与载波相位观测值实现定位,伪距与载波相位基本观测方程如式(1)所示[1]:

3.数据质量评估

卫星数据质量是影响定位性能稳定性与可靠性的重要指标,因此进行数据预处理前都要进行数据质量评估,评估GNSS系统数据质量指标主要有卫星状况、信噪比、多路径等,通常卫星数少于4颗不能进行定位,信噪比越大表明信号强度越大,多路径越小表明信号受到干扰越少[3]。本文从卫星可见数、信噪比以及多路径三个方面对Galileo系统不同频率数据质量进行评估,卫星可见数(如图3所示),信噪比(如图4所示),多路径(如图5所示):

图3 Galileo系统卫星可见数

图4 Galileo系统不同频率信噪比

图5 Galileo系统不同频率多路径

Galileo系统卫星可见数在6—12颗之间变化,但只有个别历元卫星可见数才达到6颗和12颗,主要在7—10颗之间变化。

Galileo系统E1频率信噪比随着高度角增加而增加,最后趋于稳定,稳定值在56dBHz左右。E5a频率信噪比随着高度角增加而增加,最后趋于稳定,稳定值在63dBHz左右。E5b频率信噪比随着高度角增加而增加,最后趋于稳定,稳定值在63dBHz左右。E6频率信噪比随着高度角增加而增加,最后趋于稳定,稳定值在60dBHz左右。综合各频率信噪比可知,E5a频率和E5b频率信噪比最高,E6频率信噪比次之,E1频率信噪比最低。

Galileo系统E1频率多路径随着高度角增加而减小,最后在0m左右趋于稳定,整体在±4m以内变化。Galileo系统E5a频率多路径随着高度角增加而减小,最后在0m左右趋于稳定,整体在±4m以内变化。Galileo系统E5b频率多路径随着高度角增加而减小,最后在0m左右趋于稳定,整体在±3m以内变化。Galileo系统E6频率多路径随着高度角增加而减小,最后在0m左右趋于稳定,整体在±5m以内变化。进一步计算得到每个频率多路径均方根值(RMS),E1频率多路径均方根值为0.496m,E5a频率多路径均方根值为0.477m,E5b频率多路径均方根为0.348m,E6频率多路径均方根为0.756m。综合Galileo系统各频率多路径变化以及多路径均方根值可知,E5b频率多路径最小,E5a频率多路径次之,然后是E1频率,E6频率多路径最大。

4.单点定位精度分析

本文选取位于欧洲地区的POTS站实测数据作为解算数据,数据采集时间为2021年5月5日,采集时长为24h,数据采集间隔为30s,该站接收机类型为JAVAD TRE_3,天线类型为JAVRINGANT_G5T。实验数据解算软件为根据RTKLIB软件进行二次开发的软件,星历采用IGS发布的广播星历,各项误差改正采用RTKLIB软件自带的误差改正模型,对流层延迟改正采用Saastamoinen模型,参考坐标为IGS中心发布的周解算坐标。实验解算方案共分为3种,第一种数据解算方案:单频数据解算,解算频率为E1频率、E5a频率、E5b频率以及E6频率,电离层延迟采用Klobuchar模型改正;第二种数据解算方案:双频数据解算,解算频率为E1E5a组合频率、E5aE5b组合频率、E1E5b组合频率以及E1E6组合频率,电离层延迟采用双频无电离层组合模型消除;第三种数据解算方案:双频数据解算,解算频率为E1E5aE5b组合频率以及E1E6E5b组合频率,电离层延迟采用无电离层两两组合模型消除。

4.1.单频单点定位精度分析

先将解算得到的Galileo系统E1频率、E5a频率、E5b频率以及E6频率单点定位结果与参考坐标做差,得到各频率单历元单点定位误差,然后根据单历元定位误差进一步计算得到各频率E方向、N方向、U方向定位精度即误差均方根值(RMS)(如图6所示):

图6 Galileo系统单频单点定位精度

Galileo系统各频率单频单点定位精度略有不同,E1频率单点定位E方向定位精度优于0.5m,N方向定位精度优于0.4m,U方向定位精度优于1m。E5a频率单点定位E方向定位精度优于0.6m,N方向定位精度优于0.4m,U方向定位精度优于1.3m。E5b频率单点定位E方向定位精度优于0.5m,N方向定位精度优于0.4m,U方向定位精度优于1m。E6频率单点定位E方向定位精度优于1.1m,N方向定位精度优于0.8m,U方向定位精度优于1.9m。

4.2.双频组合单点定位精度分析

先将解算得到的Galileo系统E1E5a组合频率、E5aE5b组合频率、E1E5b组合频率以及E1E6组合频率单点定位结果与参考坐标做差,得到各组合频率单历元单点定位误差,然后根据单历元定位误差进一步计算得到各组合频率E方向、N方向、U方向定位精度即误差均方根值(RMS)(如图7所示):

图7 Galileo系统双频组合单点定位精度

Galileo系统各双频组合单点定位精度略有不同,E1E5a双频组合单点定位E方向定位精度优于0.7m,N方向定位精度优于0.7m,U方向定位精度优于1.5m。E1E5b双频组合单点定位E方向定位精度优于0.7m,N方向定位精度优于0.7m,U方向定位精度优于1.5m。E5aE5b双频组合单点定位E方向定位精度低于2m,N方向定位精度低于2m,U方向定位精度低于2m。E1E6双频组合单点定位E方向定位精度低于2m,N方向定位精度优于1.6m,U方向定位精度低于2m。

4.3.三频组合单点定位精度分析

先将解算得到的Galileo系统E1E5aE5b组合频率以及E1E6E5b组合频率单点定位结果与参考坐标做差,得到各组合频率单历元单点定位误差,然后根据单历元定位误差进一步计算得到各组合频率E方向、N方向、U方向定位精度即误差均方根值(RMS)(如图8所示):

图8 Galileo系统三频组合单点定位精度

Galileo系统各2种三频组合单点定位精度略有不同,E1E5aE5b组合频率单点定位精度较优,E方向定位精度优于0.7m,N方向定位精度优于0.7m,U方向定位精度优于1.5m。E1E6E5b组合频率单点定位精度略差,E方向定位精度低于2m,N方向定位精度优于1.6m,U方向定位精度低于2m。

5.结束语

Galileo系统于2019年正式运行,并且向全球用户提供服务。为进一步对Galileo系统数据质量以及单点定位性能进行分析,本文首先从卫星可见数、信噪比以及多路径3个方面评估了Galileo系统不同频率数据质量,然后对比分析了Galileo系统单频、双频以及三频单点定位精度,得到结论如下:

(1)在数据质量方面,Galileo系统卫星可见数较优,整体在7—10颗之内变化,E5a频率和E5b频率信噪比最优,比E6频率信噪比高3dBHz,比E1频率信噪比高7dBHz,E5b频率多路径最小,E6频率多路径最大。

(2)在单频单点定位方面,E1频率和E5b频率单点定位精度最优且相当,水平定位精度优于0.5m,高程定位精度优于1m,其次为E5a频率,E6频率单点定位精度最低。

(3)在双频组合单点定位方面,E1E5a组合频率与E1E5b组合频率单点定位精度最优且相当,水平定位精度优于1m,高程定位精度优于1.5m,E1E6组合频率和E5aE5b组合频率单点定位精度较差,不适合进行单点定位。

(3)在三频组合单点定位方面,E1E5aE5b组合频率单点定位精度优于E1E6E5b组合频率单点定位精度,水平定位精度优于1m,高程定位精度优于1.5m,E1E6E5b组合频率单点定位精度较差,不适合进行单点定位。

本文详细评估Galileo系统数据质量以及单点定位性能,但限于篇幅原因未进一步对Galileo系统多频精密单点定位以及相对定位性能进行分析,因此本文计划下一步对Galileo系统多频精密单点定位以及相对定位性能进行分析。

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