譚理慶，曹陽(yáng)，彭琦，唐帥，劉俊，楊鑫

(重慶兩江衛(wèi)星移動(dòng)通信有限公司，重慶 401120)

0 引言

2020年6月23日，北斗三號(hào)（BDS-3）最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射升空，標(biāo)志著BDS-3完成建設(shè).BDS-3由24顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星、3顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星組成[1]，BDS-3相應(yīng)衛(wèi)星信息如表1所示.BDS-3不僅具有基本導(dǎo)航、區(qū)域/全球短報(bào)文播發(fā)功能，還可以提供授時(shí)、精密定位信息播發(fā)、星基增強(qiáng)、國(guó)際搜救等功能服務(wù)[2].相較于北斗二號(hào)(BDS-2)，BDS-3除了能播發(fā)B1I、B3I頻點(diǎn)信號(hào)外，還能播發(fā)B1C、B2a、B2b等頻點(diǎn)信號(hào)，BDS-3各頻點(diǎn)相關(guān)信息如表2所示.同時(shí)也需注意B2I信號(hào)在BDS-2所有衛(wèi)星上播發(fā)，提供公開服務(wù)，但在BDS-3上被B2a信號(hào)取代.

表1 BDS-3衛(wèi)星星座基本信息

表2 BDS-3信號(hào)頻點(diǎn)

BDS-3觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)定位的可靠性、穩(wěn)定性、可用性及定位的精度，從根本上影響了BDS-3的性能服務(wù)水平，并間接影響到系統(tǒng)的全球化應(yīng)用進(jìn)程[3]；研究BDS-3定位性能對(duì)拓展BDS-3在導(dǎo)航定位領(lǐng)域的應(yīng)用也具有重要意義，因而對(duì)BDS-3觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量及定位性能進(jìn)行研究分析是一項(xiàng)很有意義且必要的工作.目前，已有相應(yīng)研究人員對(duì)BDS-3觀測(cè)數(shù)據(jù)及定位性能進(jìn)行了研究[4-11]，但研究對(duì)象主要為C19～C37編號(hào)的衛(wèi)星，缺乏對(duì)建成后BDS-3的研究.本文從數(shù)據(jù)完整率、信噪比、多路徑效應(yīng)、觀測(cè)值噪聲四個(gè)方面評(píng)估分析了建成后BDS-3的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量；研究了BDS-3各頻段偽距單點(diǎn)定位精度，并與BDS-2、GPS的定位精度進(jìn)行了對(duì)比分析.

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源

為了評(píng)估分析建成后BDS-3的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量及定位性能，本文選取WUH2、GANP、TIT2等MGEX（Multi-GNSSExperiment）跟蹤站2020年7月22日，采樣間隔為30 s的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，實(shí)驗(yàn)所用跟蹤站分布如圖1所示.各跟蹤站均能接收到BDS-3衛(wèi)星相應(yīng)頻段的信號(hào)，表3為各跟蹤站配備的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）接收機(jī)及天線類型.

圖1 實(shí)驗(yàn)選用MGEX跟蹤站分布

表3 跟蹤站設(shè)備類型

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

本文選取TIT2、LPGS、UNB3等6個(gè)接收機(jī)，天線類型不同的測(cè)站數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估分析建成后BDS-3的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量.

2.1 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率可表示為實(shí)際觀測(cè)值個(gè)數(shù)與理論觀測(cè)值個(gè)數(shù)的比值.對(duì)于測(cè)地型GNSS接收機(jī)、偽距、載波相位觀測(cè)值數(shù)據(jù)完整率基本一致[12]，因此本文只給出載波數(shù)據(jù)完整率.

圖2為各測(cè)站BDS-3MEO、GEO、IGSO衛(wèi)星、BDS-3、GPS整體的數(shù)據(jù)完整率.從中可以發(fā)現(xiàn)各測(cè)站MEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)完整略低于GEO、IGSO衛(wèi)星，但各類型衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整率都在95%以上，各測(cè)站數(shù)據(jù)完整率都在98%以上.同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，各測(cè)站上BDS-3數(shù)據(jù)完整率和GPS十分接近，水平相當(dāng).

圖3為各測(cè)站上BDS-3、GPS相應(yīng)信號(hào)頻段的數(shù)據(jù)完整率.不難發(fā)現(xiàn)，BDS-3系統(tǒng)各信號(hào)頻段的數(shù)據(jù)完整率相差不大，但B1C、B2a、B2b頻段數(shù)據(jù)完整率略高于其他頻段.BDS-3 B1C、B2a、B2b頻段數(shù)據(jù)完整率和GPS L1C、L2W頻段基本一致.

圖2 各測(cè)站上BDS-3、GPS數(shù)據(jù)完整率

圖3 各測(cè)站上BDS-3(左)、GPS(右)信號(hào)頻段的數(shù)據(jù)完整率

2.2 信噪比

信噪比值會(huì)受到接收機(jī)跟蹤、捕獲信號(hào)的能力以及其內(nèi)部抑制噪聲的能力、觀測(cè)環(huán)境等因素的影響，能準(zhǔn)確地反映測(cè)距信號(hào)的優(yōu)劣水平.

圖4為各測(cè)站上相應(yīng)BDS-3、GPS衛(wèi)星信號(hào)頻段的信噪比均值.由圖可知，各測(cè)站上BDS-3信號(hào)頻段的信噪比均值都在45 dB·Hz以上，其中B2a+b頻段的信噪比值最高，各測(cè)站的平均值均在52 dB·Hz附近，和GPSL5X頻段信噪水平大致相當(dāng)；B2a、B2b信噪比值接近，平均值在50 dB·Hz左右，和GPS L1X頻段相當(dāng)；B1C、B1I、B3I頻段信噪比值接近，高于GPS L1W、L2W頻段.整體上，BDS-3信噪比要高于GPS系統(tǒng).

圖4 各測(cè)站上BDS-3(左)、GPS(右)信號(hào)頻段的信噪比均值

圖5分別給出了TIT2測(cè)站上某些衛(wèi)星各頻段的信噪比.可以發(fā)現(xiàn)：在BDS-3 IGSO、MEO衛(wèi)星上，B1I頻段信噪比要高于B3I頻段；但在BDS-3 GEO衛(wèi)星上，B3I頻段信噪比要低于B1I頻段，整體上BDS-3GEO衛(wèi)星信噪比要低于IGSO、MEO衛(wèi)星.

圖5 TIT2測(cè)站BDS-3衛(wèi)星信噪比

圖6 TIT2測(cè)站上BDS-2GEO衛(wèi)星信噪比

圖6為TIT2測(cè)站上BDS-2 GEO衛(wèi)星的信噪比.由圖可知：BDS-2GEO衛(wèi)星上B3I頻段信噪比同樣要低于B1I頻段；BDS-3GEO衛(wèi)星上B1I、B3I的信噪比隨著歷元出現(xiàn)頻繁波動(dòng)，但這種現(xiàn)象并沒有發(fā)生在同測(cè)站BDS-2的GEO衛(wèi)星上，且使用不同接收機(jī)、天線測(cè)站上均存在上述現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的原因有待進(jìn)一步研究.

2.3 偽距多路徑效應(yīng)

偽距多路徑效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重?fù)p害GNSS定位精度，嚴(yán)重時(shí)還將到GNSS接收機(jī)信號(hào)失鎖.本文采用G-Nut/Anubis軟件中的公式計(jì)算偽距多路徑效應(yīng)值[13].

圖7 各測(cè)站上BDS-3(左)、GPS(右)信號(hào)頻段的偽距多路徑均值

圖7為各測(cè)站相應(yīng)BDS-3、GPS系統(tǒng)各信號(hào)頻段的偽距多路徑平均值.可以發(fā)現(xiàn)，BDS-3中B1I、B3I頻段偽距多路徑相對(duì)較大，B2頻段上多路徑平均值在不同類型接收機(jī)跟蹤站上均小于B1、B3頻段；其中B2b頻段偽距多路徑普遍小于BDS-3其他頻段.GPSL5頻段偽距多路徑值是所有頻段中最小的，平均值普遍在20 cm以下，這反映出GPSL5頻段具有更好的抗多徑能力.同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，在各測(cè)站上BDS-3大部分頻段偽距多路徑和GPSL1、L2頻段處于同一水平.

圖8為各測(cè)站上BDS-3不同類型衛(wèi)星偽距多路徑平均值，從中可知BDS-3系統(tǒng)MEO衛(wèi)星偽距多路徑要大于IGSO、GEO衛(wèi)星的偽距多路徑.

圖8 各測(cè)站上BDS-3不同類型衛(wèi)星偽距多路徑平均值

2.4 偽距觀測(cè)值噪聲

偽距觀測(cè)值噪聲是反映GNSS接收機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)之一，同時(shí)也反映了衛(wèi)星信號(hào)本身的質(zhì)量，且偽距觀測(cè)值噪聲與衛(wèi)星信號(hào)的信噪比強(qiáng)弱緊密相關(guān)[14]，本文采用二次多項(xiàng)式擬合法計(jì)算各衛(wèi)星頻段偽距觀測(cè)值噪聲.

圖9為TIT2、KRGG測(cè)站上BDS-3 IGSO、GEO、MEO衛(wèi)星以及GPS的偽距觀測(cè)值噪聲平均值.從中可以發(fā)現(xiàn)各測(cè)站上GEO衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值噪聲要明顯大于IGSO、MEO衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值噪聲，這與BDS-3系統(tǒng)GEO衛(wèi)星信噪比水平低于IGSO、MEO衛(wèi)星存在密切關(guān)系；IGSO衛(wèi)星偽距觀測(cè)值噪聲要小于大部分MEO衛(wèi)星，而大多數(shù)MEO衛(wèi)星偽距觀測(cè)值噪聲水平相當(dāng)；整體上，BDS-3絕大多數(shù)衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值噪聲普遍小于0.3m.相較于GPS偽距觀測(cè)值噪聲平均值，可以發(fā)現(xiàn)大部分BDS-3衛(wèi)星偽距噪聲稍大，但兩個(gè)系統(tǒng)偽距噪聲整體水平接近.

圖9 TIT2(左)、KRGG(右)測(cè)站上BDS-3衛(wèi)星及GPS系統(tǒng)的偽距觀測(cè)值噪聲平均值

圖10為TIT2測(cè)站上部分衛(wèi)星相應(yīng)頻段的偽距觀測(cè)值噪聲分布圖.可以發(fā)現(xiàn)，各頻段的偽距觀測(cè)值噪聲主要分布在0.8m以內(nèi).同時(shí)從圖中不難發(fā)現(xiàn)：在BDS-3衛(wèi)星上，B2a、B3I頻段偽距觀測(cè)值噪聲相當(dāng)，其均方根（RMS）值大多在0.1～0.2m，小于其他各頻段；B2b、B2a+b頻段偽距觀測(cè)值噪聲接近，整體上大于B1C頻段；B1I偽距觀測(cè)值噪聲是各頻段中最大的，各衛(wèi)星的RMS值普遍在0.25～0.45m.結(jié)合圖5、圖10可以發(fā)現(xiàn)，隨著衛(wèi)星信號(hào)信噪比升高（降低），相應(yīng)信號(hào)的偽距觀測(cè)值噪聲表現(xiàn)出相反的變化，這表明信號(hào)信噪比越大，則偽距觀測(cè)值噪聲越小.

圖10 TIT2測(cè)站上BDS-3衛(wèi)星的各頻段偽距觀測(cè)值噪聲

3 BDS-3定位精度分析

BDS-3觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量從源頭上影響了BDS-3定位性能和服務(wù)性能，對(duì)BDS-3定位性能進(jìn)行分析也可進(jìn)一步評(píng)估BDS-3的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量.本文對(duì)BDS-3單頻、雙頻無(wú)電離層組合觀測(cè)值的偽距單點(diǎn)定位精度進(jìn)行了分析，并對(duì)比分析了BDS-3、BDS-2、GPS的定位精度；在進(jìn)行定位精度分析時(shí)，各MGEX測(cè)站的精確坐標(biāo)由SINEX文件提供.在進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位解算時(shí)，剔除衛(wèi)星高度角在10°以下及信噪比在25 dB·Hz以下衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，具體的解算策略如表4所示.

3.1 BDS-3各頻點(diǎn)SPP定位性能分析

本實(shí)驗(yàn)采用TIT2、ULAB、GANP測(cè)站數(shù)據(jù)對(duì)BDS-3單頻和雙頻無(wú)電離層組合偽距單點(diǎn)定位性能進(jìn)行分析.表5為BDS-3在相應(yīng)測(cè)站上偽距單點(diǎn)定位精度.從表5可以發(fā)現(xiàn)BDS-3單頻定位精度最高的是B3I頻段，B1C、B2a頻段定位精度高于B2b、B2a+b頻段，B1I頻段定位精度最低.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)測(cè)站上BDS-3各頻段在水平、高程方向定位精度均優(yōu)于5m.此外，在各個(gè)測(cè)站上都存在雙頻無(wú)電離層組合定位精度低于單頻定位精度的情況；且B2a/B3I雙頻定位精度明顯低于B1I/B2a、B1I/B3I，這與B2a/B3I雙頻無(wú)電離層組合觀測(cè)值將偽距噪聲放大的倍數(shù)遠(yuǎn)大于B1I/B2a、B1I/B3I雙頻組合緊密相關(guān).

表4 實(shí)驗(yàn)SPP解算策略

表5 BDS-3偽距單點(diǎn)定位精度RMS m

3.2 BDS-2/BDS-3 SPP定位性能分析

為分析BDS-2、BDS-3在亞太及周邊區(qū)域的定位性能，本次實(shí)驗(yàn)選取圖11中各測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3單頻（B1I、B3I）、雙頻無(wú)電離層組合觀測(cè)值（B1I、B3I）的偽距單點(diǎn)定位精度.

圖11 亞太及周邊區(qū)域測(cè)站上BDS-2、BDS-3平均衛(wèi)星可見數(shù)與PDOP 均值

從圖11可以發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)及附近區(qū)域，BDS-3、BDS-2可見衛(wèi)星數(shù)及位置精度因子（PDOP）值大致相當(dāng)；但在高緯度的ARHT、GCG0測(cè)站以及遠(yuǎn)離亞太區(qū)域的KRGG測(cè)站上，BDS-3可見衛(wèi)星數(shù)及PDOP值均遠(yuǎn)優(yōu)于BDS-2，這與BDS-2本身存在邊緣效應(yīng)緊密相關(guān).

從表6可以發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)及附近的測(cè)站ULAB、WUH2、SG0C上，BDS-2、BDS-3定位性能相差不大；在遠(yuǎn)離亞太區(qū)域的KRGG測(cè)站上，BDS-2系統(tǒng)定位精度遠(yuǎn)低于BDS-3系統(tǒng)；在高緯度的測(cè)站GCG0、ARHT上，BDS-2大部分時(shí)間段無(wú)法定位，但BDS-3在水平、高程方向定位精度仍優(yōu)于5m.此外，BDS-2/BDS-3單頻、雙頻無(wú)電離層組合定位精度相較于BDS-2、BDS-3均有不同幅度的提升，但在高緯度地區(qū)對(duì)BDS-3定位精度提升幅度很小.同時(shí)從表中也可發(fā)現(xiàn)：雙頻無(wú)電離層組合水平方向定位精度顯著低于單頻定位精度.

表6 BDS-2、BDS-3偽距單點(diǎn)定位精度RMS m

3.3 BDS-3/GPSSPP定位性能分析

本文在對(duì)各測(cè)站GPS各頻段進(jìn)行SPP定位性能分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：GPS L1頻段定位精度高于L2頻段；L5頻段多路徑效應(yīng)/觀測(cè)值噪聲更小，但L5頻段可見衛(wèi)星數(shù)較少及數(shù)據(jù)完整率低，導(dǎo)致其定位精度低于L1、L2頻段.從表5、表6可知：BDS-3中B3I單頻定位精度最高.因此本節(jié)只給出各測(cè)站BDS-3(B3I、B1I/B3I)、GPS(L1、L1/L2)水平及高程定位精度.

各測(cè)站相應(yīng)系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)可以反映該系統(tǒng)全球覆蓋的水平.PDOP值與各測(cè)站的可見衛(wèi)星數(shù)及衛(wèi)星的空間分布密切相關(guān)；衛(wèi)星數(shù)越多，衛(wèi)星幾何構(gòu)型也會(huì)更好，PDOP值越小，相應(yīng)的定位精度越高.圖12為各測(cè)站上BDS-3、GPS平均衛(wèi)星可見數(shù)與PDOP均值.從圖中可知：BDS-3、GPS系統(tǒng)在大部分測(cè)站上平均可見衛(wèi)星數(shù)及PDOP值相差不大；但在亞太及周邊區(qū)域的WUH2、ULAB、GCG0、SG0C、KRGG、ARHT測(cè)站上，BDS-3可見衛(wèi)星數(shù)多于GPS系統(tǒng)，PDOP值更小.

圖12 各測(cè)站上BDS-3、GPS平均衛(wèi)星可見數(shù)與PDOP 均值

圖13、圖14分別為BDS-3、GPS在各測(cè)站上單頻、雙頻無(wú)電離層組合偽距單點(diǎn)定位水平及高程方向定位精度.從兩個(gè)圖中可以看出，無(wú)論GPS、BDS-3均存在雙頻無(wú)電離層組合定位精度低于單頻定位精度的現(xiàn)象.同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，采用單頻定位時(shí)，BDS-3定位精度在大部分測(cè)站上略優(yōu)于GPS；采用雙頻定位時(shí)，GPS在大部分測(cè)站上優(yōu)于BDS-3.整體上，BDS-3、GPS系統(tǒng)定位性能大致相當(dāng)，在全球各區(qū)域均能獲得水平優(yōu)于3 m、高程優(yōu)于4m的定位精度.

圖13 各測(cè)站上BDS-3、GPS單頻定位精度

圖14 各測(cè)站上BDS-3、GPS雙頻定位精度

4 結(jié)語(yǔ)

BDS-3最后一顆衛(wèi)星成功發(fā)射并正常入軌，標(biāo)志著BDS-3正式完成建設(shè).本文基于MGEX站觀測(cè)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)完整率、信噪比、偽距多路徑、偽距觀測(cè)值噪聲4個(gè)方面詳細(xì)分析了建成后BDS-3的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量；同時(shí)研究了BDS-3各頻段偽距單點(diǎn)定位精度，并與BDS-2、GPS的定位精度進(jìn)行對(duì)比分析.分析發(fā)現(xiàn)：

1）BDS-3在各測(cè)站上MEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)完整率略低于GEO、IGSO衛(wèi)星,各信號(hào)頻段的數(shù)據(jù)完整率相差不大，但B1C、B2a、B2b頻段數(shù)據(jù)完整率略高于其他頻段.BDS-3B1I頻段偽距多路徑值最大，且MEO衛(wèi)星偽距多路徑要大于IGSO、GEO衛(wèi)星的偽距多路徑，但各類型衛(wèi)星的平均偽距多路徑值都在35 cm以下；

2）BDS-3各頻段的信噪比均值均在45 dB·Hz以上，在BDS-3 IGSO、MEO、GEO衛(wèi)星上，B1I、B3I頻段信噪比值大小表現(xiàn)出相反關(guān)系；且GEO衛(wèi)星上B1I/B3I的信噪比隨著歷元出現(xiàn)頻繁波動(dòng)，但BDS-2 GEO衛(wèi)星沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象；BDS-3絕大多數(shù)衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值噪聲普遍小于0.3m，且BDS-3 GEO衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值噪聲要明顯大于IGSO、MEO衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值噪聲；

3）BDS-3單頻定位精度最高的是B3I頻段，B1C、B2a、B2b、B2a+b頻段定位精度相差不大，B1I頻段定位精度最低；且BDS-3 B2a/B3I雙頻無(wú)電離層組合定位精度明顯低于B1I/B2a、B1I/B3I組合；

4）BDS-2/BDS-3單頻、雙頻無(wú)電離層組合定位精度相較于BDS-2、BDS-3均有不同幅度的提升，但在高緯度地區(qū)對(duì)BDS-3定位精度提升幅度很小.BDS-3與GPS系統(tǒng)定位性能大致相當(dāng)，在全球各區(qū)域均能獲得優(yōu)于3m的水平、4m的高程定位精度.