蒲俊宇，李曉杰，郭睿，唐成盼，王夢蘭

(1.32021部隊，北京100094；2.中國科學(xué)院 上海天文臺，上海200030)

1 引言

星基增強系統(tǒng)(satellite-based augmentation system,SBAS)是一種為高端導(dǎo)航用戶，特別是民航用戶提供的生命安全服務(wù)，其完好性、實時性、可靠性和精度指標(biāo)的要求均比基本導(dǎo)航更高[1－3]。中國將于2020年全面完成北斗三號組網(wǎng)建設(shè)，屆時也將為中國及其周邊地區(qū)提供星基增強服務(wù)[4]。中國的星基增強服務(wù)將遵循兼容互操作的原則，依據(jù)美國航空無線電委員會(radio technical commission for aeronautics,RTCA)制定的RTCA DO-229D標(biāo)準(zhǔn)[5]，以及國際互操作工作組(interoperability working group,IWG)制定的L5頻點雙頻多星座(dual frequency multi-constellation,DFMC)SBAS接口協(xié)議草案編排地球同步軌道(geosynchronous earth orbit,GEO)衛(wèi)星SBAS頻點的電文信息格式[6,7]。根據(jù)接口協(xié)議，GEO衛(wèi)星除了播發(fā)差分改正數(shù)和完好性信息以外，還將播發(fā)本星的軌道和鐘差信息。此外，值得注意的是，為實現(xiàn)兼容互操作，北斗三號GEO衛(wèi)星在頻點BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a的信號體制設(shè)計與美國全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)頻點L1CA和L5完全一致。因此，北斗三號GEO衛(wèi)星可聯(lián)合GPS系統(tǒng)中地球軌道(medium earth orbit,MEO)衛(wèi)星實現(xiàn)增強定位，且不會因跨導(dǎo)航系統(tǒng)而引入系統(tǒng)誤差，這將在一定程度上改善GPS星基增強用戶的位置精度因子(position dilution of precision,PDOP)。

需要說明的是，實現(xiàn)北斗三號GEO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的聯(lián)合增強定位需要從多角度進行對比評估，包括空間基準(zhǔn)、時間基準(zhǔn)、軌道產(chǎn)品、鐘差產(chǎn)品、硬件延遲等，而信號質(zhì)量是影響定位精度的基本和首要因素，本文將從數(shù)據(jù)完整率、載噪比和偽距多路徑誤差的角度，在中國華北、東北、東南、西南以及西北地區(qū)設(shè)立5個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)多模接收機測站，以2019年10月27日至2019年10月29日的北斗和GPS觀測數(shù)據(jù)為樣本評估北斗三號GEO-1衛(wèi)星，即C59衛(wèi)星在頻點BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2a上的信號質(zhì)量，并與GPS衛(wèi)星在頻點L1CA和L5上的信號質(zhì)量進行對比。

2 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率是衡量信號質(zhì)量的指標(biāo)之一，其主要用于反映觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完備性[8,9]。數(shù)據(jù)完整率是否達(dá)標(biāo)直接決定導(dǎo)航服務(wù)能否正常運轉(zhuǎn)和調(diào)度，尤其對于星基增強這種高實時性的導(dǎo)航業(yè)務(wù)來說，數(shù)據(jù)完整率顯得尤為重要。數(shù)據(jù)完整率主要受到衛(wèi)星和接收機狀態(tài)以及測站周邊環(huán)境的影響，可表示為：

其中，Nsati為用戶按照接收機收到的衛(wèi)星i理論數(shù)據(jù)個數(shù)，nsati為用戶收到的衛(wèi)星i實際數(shù)據(jù)個數(shù)。

數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，其中，華北和東南測站結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1和圖2中，藍(lán)色部分為GPS衛(wèi)星，紅色部分為北斗GEO-1衛(wèi)星。需要說明的是，在GPS系統(tǒng)中，只有BLOCK IIF,BLOCK III和未來新一代衛(wèi)星才能發(fā)播L5射頻信號。從圖1和圖2可看出，多模接收機目前只能接收到13顆GPS衛(wèi)星的L5觀測數(shù)據(jù)[10]。

表1 數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計表

圖1 華北測站數(shù)據(jù)完整率

圖2 東南測站數(shù)據(jù)完整率

如表1所示，在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點，GPS衛(wèi)星平均數(shù)據(jù)完整率為99.98%，北斗C59衛(wèi)星平均數(shù)據(jù)完整率為99.19%；在L5(BDSBAS-B2a)頻點，GPS衛(wèi)星平均數(shù)據(jù)完整率為99.50%，北斗C59衛(wèi)星平均數(shù)據(jù)完整率為99.19%。

因此，北斗C59衛(wèi)星在SBAS頻點上的平均數(shù)據(jù)完整率大于99%，與GPS衛(wèi)星對應(yīng)頻點無明顯差距，基本滿足聯(lián)合增強定位和SBAS服務(wù)完好性、實時性的需求。

3 載噪比

載噪比是用于反映觀測數(shù)據(jù)信號強度的指標(biāo)，其定義為載波信號強度與噪聲信號強度之比。載噪比主要受到天線增益狀態(tài)、接收機相關(guān)器件狀態(tài)以及信號傳播路徑狀態(tài)等的影響，是表征信號從衛(wèi)星端發(fā)射到用戶端接收過程信號增益和損耗的綜合品質(zhì)參數(shù)[11,12]。載噪比一般可從觀測數(shù)據(jù)文件中直接獲取。

本文選取4顆不同軌道面的健康的GPS衛(wèi)星G6,G10,G25,G32，與北斗C59衛(wèi)星進行對比，載噪比平均值統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。我們還得到華北和東南測站的載噪比，如圖3和圖4所示。

表2 載噪比統(tǒng)計表

需要說明的是，本文試驗所用接收機記錄的是原始載噪比量化后的值，量化單位為1 dBHz，具體量化規(guī)則為：0表示小于40 dBHz；1表示40～41 dBHz；2表示41～42 dBHz；……；30表示69～70 dBHz。

由圖3和圖4可知，在3 d的統(tǒng)計時段內(nèi)，4顆GPS衛(wèi)星出現(xiàn)了3個完整的可視弧段，其載噪比隨著衛(wèi)星仰角的升高而增加，載噪比變化具有明顯的周日特性；在3 d的統(tǒng)計時段內(nèi)，C59衛(wèi)星一直處于可視狀態(tài)，其載噪比處于一個相對穩(wěn)定的區(qū)間，僅在小范圍內(nèi)上下波動。

對于4顆GPS衛(wèi)星，L1CA頻點載噪比量化均值為7.8，L5頻點載噪比量化均值為8.2，如表2所示；對于北斗C59衛(wèi)星，BDSBAS-B1C頻點載噪比量化均值為15.7，BDSBASB2a頻點載噪比量化均值為16.2。因此，在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點，北斗C59衛(wèi)星的載噪比要比GPS衛(wèi)星平均值高7.9 dBHz；在L5(BDSBAS-B2a)頻點，北斗C59衛(wèi)星的載噪比要比GPS衛(wèi)星平均值高8.0 dBHz。

圖3 華北測站載噪比

圖4 東南測站載噪比

4 多路徑效應(yīng)

從衛(wèi)星到接收機的傳播過程中，由于建筑物遮擋等原因?qū)Ш叫盘枙l(fā)生反射，反射信號與直射信號相互干涉疊加導(dǎo)致觀測失真，這種現(xiàn)象稱為多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)是GNSS定位的主要誤差源之一，與測站環(huán)境、衛(wèi)星高度角、衛(wèi)星性能、接收機天線性能等多種因素相關(guān)，且多路徑誤差與觀測噪聲耦合在一起，難以通過構(gòu)建誤差模型進行削弱[13,14]。此外，多路徑誤差不具有空間相關(guān)性，也無法通過差分的手段進行削弱。一般可利用多路徑組合法(multipath combination,MPC)提取偽距多路徑誤差[15]，該方法利用偽距觀測量和雙頻載波觀測量組合，消除幾何誤差和電離層誤差，從而實現(xiàn)偽距多路徑誤差提取。假設(shè)有A,B兩路頻點觀測數(shù)據(jù)，頻點A觀測數(shù)據(jù)多路徑誤差提取公式為：

其中，PA為頻點A偽距觀測量，φA為頻點A載波觀測量，λA為頻點A載波波長，φB為頻點B載波觀測量，λB為頻點B載波波長，α為A,B兩路頻點觀測數(shù)據(jù)頻率平方之比，即，CA為頻點A中間序列，MPA為頻點A多路徑誤差序列。

頻點B觀測數(shù)據(jù)多路徑誤差提取公式為：

其中，PB為頻點B偽距觀測量，CB為頻點B中間序列，MPB為頻點B多路徑誤差序列。

本文選取4顆不同軌道面的健康的GPS衛(wèi)星G6,G10,G25,G32，與北斗C59衛(wèi)星進行對比，并得到多路徑誤差均方根值(RMS)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。我們還得到華北和東南測站的多路徑誤差，如圖5和圖6所示。

表3 多路徑誤差統(tǒng)計表

與載噪比類似，從圖5和圖6可看出在3 d的統(tǒng)計時段內(nèi)，4顆GPS衛(wèi)星出現(xiàn)了3個完整的可視弧段，其多路徑誤差在衛(wèi)星仰角較低時偏大，隨著仰角升高逐漸減小，多路徑誤差具有明顯的周日變化特性；還可看出在3 d的統(tǒng)計時段內(nèi)C59衛(wèi)星一直處于可視狀態(tài)，其多路徑誤差也具有較明顯的周日變化特性。

圖5 華北測站多路徑誤差

圖6 東南測站多路徑誤差

如表3所示，對于4顆GPS衛(wèi)星，L1CA頻點多路徑誤差均方根平均為0.24 m，L5頻點多路徑誤差均方根平均為0.25 m；對于北斗C59衛(wèi)星，BDSBAS-B1C頻點多路徑誤差均方根平均為0.18 m，BDSBAS-B2a頻點多路徑誤差均方根平均為0.21 m。

因此，在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點，北斗C59衛(wèi)星的多路徑誤差比GPS衛(wèi)星平均值低0.06 m；在L5(BDSBAS-B2a)頻點，北斗C59衛(wèi)星的多路徑誤差比GPS衛(wèi)星平均值低0.04 m。

5 結(jié)論

為在中國及其周邊地區(qū)實現(xiàn)北斗三號GEO衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星無系統(tǒng)偏差的聯(lián)合增強定位，本文從數(shù)據(jù)完整率、載噪比以及偽距多路徑誤差三個角度對北斗三號GEO-1衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點和L5(BDSBAS-B2a)頻點的信號質(zhì)量進行了對比分析，并得到以下結(jié)果。

1)北斗三號GEO-1衛(wèi)星在BDSBAS-B1C頻點和BDSBAS-B2a頻點上的平均數(shù)據(jù)完整率達(dá)到99%以上，與GPS衛(wèi)星對應(yīng)頻點無明顯差距。

2)在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點，北斗三號GEO-1衛(wèi)星的載噪比要比4顆GPS衛(wèi)星平均值高出7.9 dBHz；在L5(BDSBAS-B2a)頻點，北斗三號GEO-1衛(wèi)星的載噪比要比4顆GPS衛(wèi)星平均值高出8.0 dBHz。

3)在L1CA(BDSBAS-B1C)頻點，北斗三號GEO-1衛(wèi)星的多路徑誤差比4顆GPS衛(wèi)星平均值低0.06 m；在L5(BDSBAS-B2a)頻點，北斗三號GEO-1衛(wèi)星的多路徑誤差比4顆GPS衛(wèi)星平均值低0.04 m。

本文在中國境內(nèi)選取了均勻分布的5個GNSS多模接收機測站對北斗三號GEO衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星的SBAS信號質(zhì)量進行了對比分析，結(jié)果表明北斗三號GEO-1衛(wèi)星對應(yīng)頻點的載噪比明顯高于GPS衛(wèi)星，多路徑誤差略低于GPS衛(wèi)星，數(shù)據(jù)完整率水平與GPS衛(wèi)星基本一致，說明北斗三號GEO-1衛(wèi)星的SBAS信號質(zhì)量優(yōu)于GPS衛(wèi)星，因而可服務(wù)于BDSBAS系統(tǒng)GPS用戶。待星座部署完成后，我們將對其余北斗三號GEO衛(wèi)星進行類似的評估，并對聯(lián)合增強定位所涉及的空間基準(zhǔn)、時間基準(zhǔn)、軌道產(chǎn)品、鐘差產(chǎn)品、硬件延遲等問題進行詳細(xì)論證，最終完成聯(lián)合增強定位試驗。