戴凱陽 邵 搏 熊 帥 張 鍵 雷哲哲

1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安市白沙路1號，710068

北斗系統(tǒng)在不斷發(fā)展與完善的同時也需要與國際接軌，得到國際社會的認(rèn)可。目前國際民航組織正在開展雙頻多星座(dual frequency and multi constellation，DFMC)星基增強系統(tǒng)(space based augmentation system，SBAS)標(biāo)準(zhǔn)與建議措施(standard and recommended practices，SARPs)的制定工作，BDS作為被增強對象、北斗星基增強系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system，BDSBAS)作為服務(wù)提供商均被寫入DFMC SBAS SARPs中[1-3]。在DFMC SBAS SARPs修訂過程中需要對其中的相關(guān)內(nèi)容進行驗證，其中北斗系統(tǒng)新頻點多路徑誤差特性驗證工作是一個意義重大的議題。美國、歐洲已經(jīng)分別完成了GPS和Galileo系統(tǒng)的多路徑誤差特性驗證工作[4-6]，北斗系統(tǒng)急需開展相關(guān)研究并形成工作文件。因此，開展北斗系統(tǒng)多路徑誤差特性的驗證工作不僅可以彌補國內(nèi)在該方面研究的不足，而且可以助力北斗系統(tǒng)寫入國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)，為推動北斗系統(tǒng)走向國際邁出堅實一步。

國際民航組織針對導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的多路徑誤差特性制定了相關(guān)規(guī)定，BDS多路徑誤差特性需要被JWGs/6提出的DFMC多路徑誤差模型[7]所包絡(luò)。另外，導(dǎo)航衛(wèi)星接收機數(shù)據(jù)所使用的接收機天線群延時需要滿足航空無線電技術(shù)委員會發(fā)布的DO-373標(biāo)準(zhǔn)[8]。因此，本文為了驗證BDS多路徑誤差特性符合DFMC多路徑誤差模型的要求，首先利用符合DO-373天線群延時特性的天線接收BDS在B1c和B2a上的觀測數(shù)據(jù)；然后提出一種北斗三號新頻點的多路徑誤差特性驗證方法，對觀測數(shù)據(jù)進行處理并繪制多路徑誤差隨高度角的變化曲線；最后分析其與國際民航多路徑誤差模型的符合性。

1 天線群延時實驗

本次實驗測試的接收天線為NovAtel GNSS-750扼流圈天線，微波暗室實驗設(shè)備主要包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E5071B)、標(biāo)準(zhǔn)天線(CR125B)和直流耦合器(Mini-Circuits ZFBT-4R2G-FT+)。實驗設(shè)備連接示意圖如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)天線與被測天線處于同一水平方向上。

圖1 微波實驗設(shè)備連接示意圖Fig.1 Test equipment connection diagram

1.1 實驗方法

為了得到NovAtel GNSS-750扼流圈天線在北斗三號新頻點(B1c和B2a)上的群延時參數(shù)，進行天線群延時實驗。測試步驟如下：

1)搭建測試環(huán)境，將NovAtel GNSS-750扼流圈天線通過直流耦合器與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口2連接，將標(biāo)準(zhǔn)天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1連接，并使2個天線正面法向?qū)R。

2)設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試頻點，在B1c頻點1 575.42 MHz(或B2a頻點1 176.45 MHz)校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

3)啟動直流電源，設(shè)置輸出電壓值為5 V。

4)將天線的高度角調(diào)整為0°，控制轉(zhuǎn)臺水平方向轉(zhuǎn)動1周，同時記錄矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在指定方位角Azi(0°、10°、20°、30°…、330°、340°、350°)的天線群延時值τ(Azi,Ele)，其中Azi為方位角，Ele為高度角。

5)控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動以使被測天線在高度角方向轉(zhuǎn)動5°，重復(fù)步驟4)，逐步增大高度角數(shù)值，直至完成垂直方向90°的測試，同時記錄指定高度角Ele(5°、10°、15°、20°、…、80°、85°、90°)的數(shù)據(jù)。

(1)

1.2 實驗結(jié)果

圖2給出NovAtel GNSS-750扼流圈天線在B1c和B2a頻點的天線群延時方位圖，可以看出，各頻點的天線群延時主要跟高度角相關(guān)。

圖2 B1c和B2a頻點天線群延時方位圖Fig.2 Antenna group delay on B1c and B2a

圖3給出在B1c和B2a頻點的最大天線群延時隨高度角的變化曲線，圖中虛線為DO-373天線群延時要求包絡(luò)線，實線為實測各高度角對應(yīng)的最大天線群延時曲線?？梢钥闯?，NovAtel GNSS-750扼流圈天線各高度角最大天線群延時被要求曲線包絡(luò)，證明其在B1c和B2a頻點上的天線群延時特性符合DO-373的要求。

圖3 B1c和B2a頻點的最大天線群延時隨高度角變化曲線Fig.3 Maximum antenna group delay varies with elevation angles on B1c and B2a

2 多路徑誤差特性分析

利用NovAtel GNSS-750扼流圈天線采集原始觀測數(shù)據(jù)，在西安某單位樓頂架設(shè)接收機天線，接收機型號為Septentrio PolaRx5。采集2020-09-01～08的觀測數(shù)據(jù)，包括BDS B1c/B2a頻點以及GPS L1/L5頻點。

2.1 多路徑誤差特性分析基本原理

基于采集的BDS B1c/B2a和GPS L1/L5頻點上的偽距觀測量和載波相位觀測量，給出本文驗證方法的具體實施步驟(圖4)。

圖4 多路徑誤差特性驗證流程Fig.4 Verification flow chart of mutipath error characteristics

北斗三號監(jiān)測站采集到北斗三號衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文信息，其新頻點B1c、B2a基本觀測方程如下[9]：

ρB1c=r+c(dtu-dts)+T+

IB1c+MPρ,B1c+ερ,B1c

(2)

φB1c=r+c(dtu-dts)+T-IB1c+

NB1cλB1c+MPφ,B1c+εφ,B1c

(3)

ρB2a=r+c(dtu-dts)+T+

IB2a+MPρ,B2a+ερ,B2a

(4)

φB2a=r+c(dtu-dts)+T-IB2a+

NB2aλB2a+MPφ,B2a+εφ,B2a

(5)

式中，ρB1c和φB1c分別為B1c頻點偽距和載波相位觀測值，c為光速，dtu和dts分別為接收機鐘差和衛(wèi)星鐘差，T為對流層延遲，IB1c為B1c頻點電離層延遲，MPρ,B1c和MPφ,B1c分別為B1c頻點偽距和載波相位上的多路徑誤差，ερ,B1c和εφ,B1c分別為B1c頻點偽距和載波相位上與接收機相關(guān)的噪聲誤差，NB1c為B1c頻點載波相位整周模糊度，λB1c為B1c頻點波長，ρB2a和φB2a分別為B2a頻點偽距和載波相位觀測值，IB2a為B2a頻點電離層延遲，MPρ,B2a和MPφ,B2a分別為B2a頻點偽距和載波相位上的多路徑誤差，ερ,B2a和εφ,B2a分別為B2a頻點偽距和載波相位上與接收機相關(guān)的噪聲誤差，NB2a為B2a頻點載波相位整周模糊度，λB2a為B2a頻點波長。

1)在φB1c和φB2a上進行周跳探測和標(biāo)記，并剔除信噪比較低的數(shù)據(jù)。周跳探測主要使用無幾何距離組合(geometry-free，GF)周跳探測方法，檢測量b為：

b=φB1cλB1c-φB2aλB2a

(6)

對檢測量前后歷元作差，此處差值閾值設(shè)置為0.05 m，當(dāng)差值大于0.05 m時，則認(rèn)為當(dāng)前歷元發(fā)生周跳，對觀測數(shù)據(jù)進行標(biāo)記。

剔除信噪比低的歷元觀測值，B1c頻點信噪比門限為29 dBHz，B2a頻點上信噪比門限為27 dBHz。

2)利用B1c和B2a頻點上的偽距觀測值和載波相位觀測值計算偽距與載波的差值(code minus carrier，CMC)。

針對單頻B1c或B2a頻點，利用雙頻載波觀測值消除單頻CMC數(shù)據(jù)中的電離層延遲：

CMCB1c=ρB1c-φB1c=2IB1c+MPρ,B1c+

ερ,B1c-MPφ,B1c-εφ,B1c-NB1cλB1c

(7)

CMCB2a=ρB2a-φB2a=2IB2a+MPρ,B2a+

ερ,B2a-MPφ,B2a-εφ,B2a-NB2aλB2a

(8)

(9)

(10)

CMCI_free,B1c=CMCB1c-2IB1c=

MPρ,B1c+ερ,B1c-NB1cλB1c

(11)

CMCI_free,B2a=CMCB2a-2IB2a=

MPρ,B2a+ερ,B2a-NB2aλB2a

(12)

式中，CMCB1c和CMCB2a分別為B1c和B2a頻點上的CMC，CMCI_free,B1c和CMCI_free,B2a分別為B1c和B2a頻點消除單頻電離層影響后的CMC值。因為偽距上的多路徑誤差與噪聲遠大于載波上的，因此式(7)和式(8)中-MPφ,B1c-εφ,B1c≈0和-MPφ,B2a-εφ,B2a≈0，式(11)和式(12)中-NB1cλB1c和-NB2aλB2a為常數(shù)。

雙頻組合計算方法為：

(13)

(14)

CMCI_free=ρI_free-φI_free

(15)

式中，ρI_free和φI_free分別為無電離層組合的偽距和載波相位觀測值，fB1c和fB2a分別為B1c和B2a頻點的頻率，CMCI_free為無電離層組合的CMC。

3)利用CMC數(shù)據(jù)的平均值來消除整周模糊度的影響，即消除步驟2)中的常數(shù)項。遇到步驟1)中探測出現(xiàn)的周跳標(biāo)記，則重啟該過程：

(16)

(17)

2.2 結(jié)果分析

按照上述方法對2020-09-01～09-08的BDS和GPS雙頻觀測數(shù)據(jù)進行處理，得到B1c/L1、B2a/L5以及雙頻的多路徑誤差σMP&AGDV隨高度角變化曲線，如圖5～7所示。

圖5 BDS B1c和GPS L1頻點σMP&AGDV隨高度角變化曲線Fig.5 The curves of σMP&AGDV varies with elevation angles on BDS B1c and GPS L1

圖6 BDS B2a和GPS L5頻點σMP&AGDV隨高度角變化曲線Fig.6 The curves of σMP&AGDV varies with elevation angles on BDS B2a and GPS L5

圖7 BDS和GPS雙頻組合頻點σMP&AGDV隨高度角變化曲線Fig.7 The curves of σMP&AGDV varies with elevation angles on BDS and GPS dual-requency combination

從圖5～7可以看出：

1)基于2 d和8 d數(shù)據(jù)得到的BDS/GPS多路徑誤差曲線的變化趨勢幾乎保持一致，即多路徑誤差曲線的變化趨勢基本上不受天數(shù)影響。

2)BDS與GPS分別在B1c/L1、B2a/L5和雙頻組合情況下的多路徑誤差曲線的變化趨勢基本一致，即BDS與GPS多路徑誤差特性基本一致。

3)BDS在B1c、B2a以及雙頻組合情況下的多路徑誤差特性符合DFMC多路徑誤差模型的要求。

3 結(jié) 語

本文首先基于微波暗室實驗分析了NovAtel GNSS-750天線的天線群延時特性，驗證該天線的群延時特性符合DO-373的要求；然后提出一套可用于分析驗證北斗三號新頻點多路徑誤差特性的方法，并給出明確的處理流程和實施步驟；最后基于此天線，進行BDS和GPS原始雙頻觀測數(shù)據(jù)的采集和處理。結(jié)果表明，BDS的多路徑誤差特性與GPS基本一致，并且能夠滿足國際民航提出的DFMC多路徑誤差模型要求。本文能夠為北斗系統(tǒng)多路徑誤差特性分析提供理論依據(jù)和實施思路，并且為北斗系統(tǒng)寫入國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)增磚添瓦。

致謝：感謝歐洲D(zhuǎn)LR課題組提供參考資料。