李金龍,唐 斌,郭海榮,何海波,許揚(yáng)胤

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094;2.信息工程大學(xué),鄭州 450052)

?

新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星偽距質(zhì)量初步評(píng)估

李金龍1,唐 斌1,郭海榮1,何海波1,許揚(yáng)胤2

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094;2.信息工程大學(xué),鄭州 450052)

為驗(yàn)證北斗全球系統(tǒng)衛(wèi)星新型導(dǎo)航信號(hào)體制、星間鏈路和高精度原子鐘等關(guān)鍵技術(shù),中國(guó)于2015年3月30日至2016年2月1日間發(fā)射了5顆新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星。試驗(yàn)衛(wèi)星除了播發(fā)新的民用信號(hào)B1C和B2外,同時(shí)還播發(fā)B1I和B3I平穩(wěn)過(guò)渡信號(hào)。試驗(yàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的偽距質(zhì)量以及北斗現(xiàn)有工作衛(wèi)星存在的與高度角相關(guān)偽距誤差問(wèn)題在新一代北斗衛(wèi)星上是否得到解決是大家普遍關(guān)注的問(wèn)題,將基于北斗試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)此進(jìn)行初步評(píng)估與驗(yàn)證。

北斗;試驗(yàn)衛(wèi)星;多徑誤差;新信號(hào)

0 引言

按照北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略,2012年年底北斗系統(tǒng)已經(jīng)形成區(qū)域服務(wù)能力,并計(jì)劃在2020年前后,形成全球服務(wù)能力[1]。目前(2017年3月1日)北斗系統(tǒng)工作衛(wèi)星由5顆GEO衛(wèi)星(編號(hào):1-5)、6顆IGSO衛(wèi)星(編號(hào):6-10、13)和3顆MEO衛(wèi)星(編號(hào):11、12、14)組成。其中,13號(hào)IGSO衛(wèi)星為2016年3月30日發(fā)射的備份衛(wèi)星,其交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)95°。自北斗系統(tǒng)2012年12月27日正式運(yùn)行后,許多學(xué)者對(duì)北斗系統(tǒng)測(cè)距信號(hào)質(zhì)量[2-6]、偽距單點(diǎn)定位精度[7]、載波相位差分定位性能[8-10]、精密單點(diǎn)定位性能[11]等進(jìn)行了大量評(píng)估,比較全面地驗(yàn)證了北斗系統(tǒng)區(qū)域服務(wù)性能,然而也發(fā)現(xiàn)了北斗衛(wèi)星信號(hào)的一些異?，F(xiàn)象。Wanninger發(fā)現(xiàn)北斗IGSO和MEO衛(wèi)星存在由衛(wèi)星引起的與衛(wèi)星仰角相關(guān)偽距誤差現(xiàn)象[12],其對(duì)偽距單點(diǎn)定位性能影響有限,但對(duì)精密單點(diǎn)定位和長(zhǎng)基線差分定位中模糊度固定存在嚴(yán)重影響[13-14]。目前通過(guò)建立改正模型,可顯著削弱其影響,然而這個(gè)問(wèn)題有望在新一代北斗全球系統(tǒng)衛(wèi)星中得到徹底解決。

為驗(yàn)證北斗全球系統(tǒng)衛(wèi)星新型導(dǎo)航信號(hào)體制、星間鏈路和高精度衛(wèi)星鐘等關(guān)鍵技術(shù),中國(guó)于2015年3月30日(I1-S)、7月25日(M1-S和M2-S)、9月30日(I2-S)和2016年2月1日(M3-S)發(fā)射了5顆新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星。試驗(yàn)衛(wèi)星除了播發(fā)新的民用信號(hào)B1C和B2外,同時(shí)還播發(fā)B1I和B3I平穩(wěn)過(guò)渡信號(hào)[15]。試驗(yàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的偽距質(zhì)量以及北斗現(xiàn)有工作衛(wèi)星存在的與高度角相關(guān)偽距誤差問(wèn)題在新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星上是否得到解決是大家普遍關(guān)注的問(wèn)題,本文將基于北斗試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)此進(jìn)行初步評(píng)估與驗(yàn)證。

1 北斗試驗(yàn)衛(wèi)星信號(hào)及試驗(yàn)概況

新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星兼顧新信號(hào)體制和系統(tǒng)過(guò)渡的驗(yàn)證任務(wù),除了播發(fā)全球系統(tǒng)新體制信號(hào)B1C和B2外,同時(shí)播發(fā)北斗平穩(wěn)過(guò)渡信號(hào)B1I和B3I,表1給出了北斗試驗(yàn)衛(wèi)星播發(fā)各導(dǎo)航信號(hào)的中心頻率、調(diào)制方式和碼速率等信息[15-16]。作為比對(duì),表1中同時(shí)給出了與B1C和B2信號(hào)頻率重疊的Galileo系統(tǒng)信號(hào)相關(guān)信息。

表1 北斗試驗(yàn)衛(wèi)星信號(hào)概況

試驗(yàn)使用了成都國(guó)星多頻試驗(yàn)驗(yàn)證終端和上海司南高精度測(cè)量型接收機(jī)M300(升級(jí)固件后可接收北斗試驗(yàn)衛(wèi)星B1I和B3I信號(hào))采集數(shù)據(jù),2臺(tái)接收機(jī)通過(guò)一分二功分器連接到深圳華信有限公司生產(chǎn)的高精度測(cè)量型天線,數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2016年12月8日至14日共7天。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集期間,I1-S和M3-S由于未知原因未播發(fā)信號(hào),故本次試驗(yàn)僅使用了I2-S、M1-S和M2-S這3顆試驗(yàn)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。為了比對(duì),試驗(yàn)還使用了MGEX地面跟蹤網(wǎng)JFNG站的天寶NetR9接收機(jī)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2016年10月26日至11月1日共7天。試驗(yàn)中,各接收機(jī)采樣間隔均為30s,高度截止角均設(shè)為10°,各接收機(jī)接收信號(hào)和試驗(yàn)使用數(shù)據(jù)情況見(jiàn)表2,表中加粗信號(hào)為試驗(yàn)中使用數(shù)據(jù)。

表2 試驗(yàn)中使用接收機(jī)的信號(hào)覆蓋情況

試驗(yàn)中多徑觀測(cè)值計(jì)算公式為

(1)

其中,Px為待評(píng)估信號(hào)x的偽距觀測(cè)量,Lx、Lj和Lk分別為信號(hào)x、j和k上的載波相位觀測(cè)量,λx、λj和λk為各信號(hào)的載波波長(zhǎng)。計(jì)算B1I和B3I偽距多徑觀測(cè)值時(shí),Lj和Lk分別為B1I和B3I載波相位觀測(cè)量;計(jì)算新信號(hào)B1C(E1OS)和B2(E5)偽距多徑觀測(cè)值時(shí),Lj和Lk分別為B1C(E1OS)和B2a(E5a)載波相位觀測(cè)量。各信號(hào)偽距多徑誤差計(jì)算公式為

(2)

2 平穩(wěn)過(guò)渡信號(hào)

為更好地對(duì)比試驗(yàn)衛(wèi)星和北斗現(xiàn)有工作衛(wèi)星B1I和B3I信號(hào)的多徑誤差特性,分別選取了與試驗(yàn)衛(wèi)星I2-S、M1-S和M2-S星空軌跡類似的3顆北斗工作衛(wèi)星C10、C12和C11作為參考,國(guó)星多頻終端相應(yīng)的多徑誤差序列見(jiàn)圖1～圖4,圖5和圖6為上海司南接收機(jī)多徑誤差序列。表3為國(guó)星多頻終端B1I和B3I的偽距多徑誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

Tab.3 RMS values of B1I and B3I multipath error for GUOXING receiver m

注：最后一列僅為2顆MEO衛(wèi)星數(shù)值的平均,未考慮第一列IGSO衛(wèi)星數(shù)值

從圖1～圖4可知,北斗現(xiàn)有IGSO和MEO工作衛(wèi)星B1I和B3I信號(hào)均存在明顯的與衛(wèi)星高度角相關(guān)偽距誤差,在量級(jí)上,MEO衛(wèi)星比IGSO衛(wèi)星大,B1I信號(hào)比B3I信號(hào)大;而新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星B1I和B3I信號(hào)均未出現(xiàn)明顯的類似現(xiàn)象,圖5和圖6中上海司南接收機(jī)偽距多徑結(jié)果也進(jìn)一步確認(rèn)了這一結(jié)論。

從表3可知,新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星B1I、B3I信號(hào)的偽距多徑誤差RMS均優(yōu)于現(xiàn)有北斗衛(wèi)星相應(yīng)信號(hào),其中MEO衛(wèi)星的B1I信號(hào)最明顯。對(duì)于B1I信號(hào),I2-S多徑誤差RMS相比C10改善約11.2%,M1-S、M2-S相比C12、C11分別改善約29.2%和40.4%,平均改善可達(dá)34.8%;對(duì)于B3I信號(hào),I2-S多徑誤差RMS相比C10改善僅為1.0%,然而M1-S、M2-S相比C12、C11分別改善約19.5%和12.6%,平均改善也達(dá)到了16.1%。由于選擇作為對(duì)照的北斗現(xiàn)有衛(wèi)星與試驗(yàn)衛(wèi)星星空軌跡類似且兩類衛(wèi)星接收機(jī)端處理過(guò)程相同,因此這些改善主要得益于新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星解決了現(xiàn)有衛(wèi)星存在的與衛(wèi)星高度角相關(guān)偽距誤差問(wèn)題。

3 新體制信號(hào)

圖7～圖10分別為國(guó)星多頻終端北斗試驗(yàn)衛(wèi)星I2-S、M1-S和M2-S新體制信號(hào)B1C、B2a、B2b以及B2a+b的偽距多徑誤差時(shí)間序列圖和偽距多徑誤差隨高度角變化圖。作為對(duì)比,同時(shí)給出了JFNG站天寶NetR9接收機(jī)Galileo系統(tǒng)E08衛(wèi)星E1OS、E5a、E5b和E5a+b信號(hào)的偽距多徑誤差圖。表4為國(guó)星多頻終端新體制信號(hào)B1C和B2的多徑誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

從圖7～圖9可知,北斗試驗(yàn)衛(wèi)星B1C、B2a和B2b信號(hào)偽距多徑誤差也均未見(jiàn)明顯的與高度角相關(guān)偽距誤差現(xiàn)象。同時(shí),對(duì)比北斗2顆MEO試驗(yàn)衛(wèi)星M1-S、M2-S的偽距多徑誤差圖與Galileo衛(wèi)星E08的偽距多徑誤差圖也未見(jiàn)明顯差異。

Tab.4 RMS values of B1C and B2 multipath error for GUOXING receiver m

從圖10可知,北斗試驗(yàn)衛(wèi)星B2a+b信號(hào)偽距多徑誤差仍存在明顯的系統(tǒng)性偏差,量級(jí)為幾個(gè)厘米,且I2-S衛(wèi)星更為明顯。然而,由于僅使用了一種類型接收機(jī)一個(gè)地點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù),因此這種系統(tǒng)性誤差是否由衛(wèi)星引起以及其規(guī)律是否與北斗現(xiàn)有衛(wèi)星存在的與高度角相關(guān)偽距誤差類似則還需更多的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

從表4可知,3顆北斗試驗(yàn)衛(wèi)星B1C偽距多徑誤差RMS約為0.36m,B2a和B2b偽距多徑誤差RMS約為0.24m,B2a+b偽距多徑誤差RMS最小,僅為0.08m。

4 結(jié)論

北斗現(xiàn)有衛(wèi)星B1I和B3I信號(hào)存在由衛(wèi)星引起的與高度角相關(guān)偽距誤差現(xiàn)象,而新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星B1I和B3I信號(hào)未出現(xiàn)明顯的類似現(xiàn)象,由此可知新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星B1I和B3I信號(hào)的偽距質(zhì)量?jī)?yōu)于現(xiàn)有北斗衛(wèi)星相應(yīng)信號(hào)。對(duì)于MEO衛(wèi)星,B1I和B3I信號(hào)偽距多徑誤差RMS改善分別達(dá)到34.8%和16.1%;對(duì)于IGSO衛(wèi)星,B1I信號(hào)偽距多徑誤差RMS改善也可達(dá)11.2%。

北斗試驗(yàn)衛(wèi)星B1C、B2a和B2b信號(hào)也未見(jiàn)明顯的與高度角相關(guān)偽距誤差現(xiàn)象,雖然B2a+b信號(hào)偽距多徑誤差存在明顯的系統(tǒng)性偏差,但量級(jí)僅為幾個(gè)厘米。由于僅使用了一種類型接收機(jī)一個(gè)地點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù),因此這種系統(tǒng)性誤差是否由衛(wèi)星引起,其規(guī)律是否與北斗現(xiàn)有衛(wèi)星存在的與高度角相關(guān)偽距誤差類似,還需更多的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

綜合考慮3顆試驗(yàn)衛(wèi)星結(jié)果,B1I和B3I偽距多徑誤差RMS分別約為0.29m和0.28m,B1C偽距多徑誤差RMS約為0.36m,B2a和B2b偽距多徑誤差RMS約為0.24m,B2a+b偽距多徑誤差RMS最小,僅為0.08m。

[1] 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行與發(fā)展[C]//第七屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì).長(zhǎng)沙，2016.

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Evaluation on the Pseudorange Quality of New-generation BDS Experimental Satellites

LI Jin-long1, TANG Bin1, GUO Hai-rong1, HE Hai-bo1, XU Yang-yin2

(1. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China;2. Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China)

In order to carry out the demonstration of new type of navigation signal, inter-satellite link and high precision atomic clock, five new-generation BDS experimental satellites have been launched between March 30, 2015 and February 1, 2016. BDS experimental satellites also transmit legacy B1I and B3I signals besides the new civil B1C and B2 signals. The pseudorange quality of experimental satellites and whether the satellite-induced pseudorange variation existing in the current BDS satellites still exists are in urgent need of evaluation and validation, which are addressed based on the real data of BDS experimental satellites.

BDS; Experimental satellite; Multipath error; New signal

2017-03-15；

2017-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(41020144004，41374019，41474015)；國(guó)家“863”項(xiàng)目(2013AA122501)。

李金龍(1986-)，男，博士，工程師，主要從事GNSS高精度定位算法研究。E-mail:along0730@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.010

P228

A

2095-8110(2017)04-0066-08