BDS-3數據質量及SPP定位性能分析

譚理慶，曹陽，彭琦，唐帥，劉俊，楊鑫

(重慶兩江衛星移動通信有限公司，重慶 401120)

0 引言

2020年6月23日，北斗三號（BDS-3）最后一顆組網衛星發射升空，標志著BDS-3完成建設.BDS-3由24顆中圓地球軌道(MEO)衛星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星、3顆地球靜止軌道(GEO)衛星組成[1]，BDS-3相應衛星信息如表1所示.BDS-3不僅具有基本導航、區域/全球短報文播發功能，還可以提供授時、精密定位信息播發、星基增強、國際搜救等功能服務[2].相較于北斗二號(BDS-2)，BDS-3除了能播發B1I、B3I頻點信號外，還能播發B1C、B2a、B2b等頻點信號，BDS-3各頻點相關信息如表2所示.同時也需注意B2I信號在BDS-2所有衛星上播發，提供公開服務，但在BDS-3上被B2a信號取代.

表1 BDS-3衛星星座基本信息

表2 BDS-3信號頻點

BDS-3觀測數據的質量直接影響到系統定位的可靠性、穩定性、可用性及定位的精度，從根本上影響了BDS-3的性能服務水平，并間接影響到系統的全球化應用進程[3]；研究BDS-3定位性能對拓展BDS-3在導航定位領域的應用也具有重要意義，因而對BDS-3觀測數據質量及定位性能進行研究分析是一項很有意義且必要的工作.目前，已有相應研究人員對BDS-3觀測數據及定位性能進行了研究[4-11]，但研究對象主要為C19～C37編號的衛星，缺乏對建成后BDS-3的研究.本文從數據完整率、信噪比、多路徑效應、觀測值噪聲四個方面評估分析了建成后BDS-3的觀測數據質量；研究了BDS-3各頻段偽距單點定位精度，并與BDS-2、GPS的定位精度進行了對比分析.

1 實驗數據來源

為了評估分析建成后BDS-3的觀測數據質量及定位性能，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的觀測數據作為實驗數據進行相關分析，實驗所用跟蹤站分布如圖1所示.各跟蹤站均能接收到BDS-3衛星相應頻段的信號，表3為各跟蹤站配備的全球衛星導航系統（GNSS）接收機及天線類型.

圖1 實驗選用MGEX跟蹤站分布

表3 跟蹤站設備類型

2 數據質量分析

本文選取TIT2、LPGS、UNB3等6個接收機，天線類型不同的測站數據來評估分析建成后BDS-3的觀測數據質量.

2.1 數據完整率

數據完整率可表示為實際觀測值個數與理論觀測值個數的比值.對于測地型GNSS接收機、偽距、載波相位觀測值數據完整率基本一致[12]，因此本文只給出載波數據完整率.

圖2為各測站BDS-3MEO、GEO、IGSO衛星、BDS-3、GPS整體的數據完整率.從中可以發現各測站MEO衛星的數據完整略低于GEO、IGSO衛星，但各類型衛星數據完整率都在95%以上，各測站數據完整率都在98%以上.同時也可發現，各測站上BDS-3數據完整率和GPS十分接近，水平相當.

圖3為各測站上BDS-3、GPS相應信號頻段的數據完整率.不難發現，BDS-3系統各信號頻段的數據完整率相差不大，但B1C、B2a、B2b頻段數據完整率略高于其他頻段.BDS-3 B1C、B2a、B2b頻段數據完整率和GPS L1C、L2W頻段基本一致.

圖2 各測站上BDS-3、GPS數據完整率

圖3 各測站上BDS-3(左)、GPS(右)信號頻段的數據完整率

2.2 信噪比

信噪比值會受到接收機跟蹤、捕獲信號的能力以及其內部抑制噪聲的能力、觀測環境等因素的影響，能準確地反映測距信號的優劣水平.

圖4為各測站上相應BDS-3、GPS衛星信號頻段的信噪比均值.由圖可知，各測站上BDS-3信號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，各測站的平均值均在52 dB·Hz附近，和GPSL5X頻段信噪水平大致相當；B2a、B2b信噪比值接近，平均值在50 dB·Hz左右，和GPS L1X頻段相當；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.

圖4 各測站上BDS-3(左)、GPS(右)信號頻段的信噪比均值

圖5分別給出了TIT2測站上某些衛星各頻段的信噪比.可以發現：在BDS-3 IGSO、MEO衛星上，B1I頻段信噪比要高于B3I頻段；但在BDS-3 GEO衛星上，B3I頻段信噪比要低于B1I頻段，整體上BDS-3GEO衛星信噪比要低于IGSO、MEO衛星.

圖5 TIT2測站BDS-3衛星信噪比

圖6 TIT2測站上BDS-2GEO衛星信噪比

圖6為TIT2測站上BDS-2 GEO衛星的信噪比.由圖可知：BDS-2GEO衛星上B3I頻段信噪比同樣要低于B1I頻段；BDS-3GEO衛星上B1I、B3I的信噪比隨著歷元出現頻繁波動，但這種現象并沒有發生在同測站BDS-2的GEO衛星上，且使用不同接收機、天線測站上均存在上述現象，造成這一現象的原因有待進一步研究.

2.3 偽距多路徑效應

偽距多路徑效應會嚴重損害GNSS定位精度，嚴重時還將到GNSS接收機信號失鎖.本文采用G-Nut/Anubis軟件中的公式計算偽距多路徑效應值[13].

圖7 各測站上BDS-3(左)、GPS(右)信號頻段的偽距多路徑均值

圖7為各測站相應BDS-3、GPS系統各信號頻段的偽距多路徑平均值.可以發現，BDS-3中B1I、B3I頻段偽距多路徑相對較大，B2頻段上多路徑平均值在不同類型接收機跟蹤站上均小于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.同時也可發現，在各測站上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為各測站上BDS-3不同類型衛星偽距多路徑平均值，從中可知BDS-3系統MEO衛星偽距多路徑要大于IGSO、GEO衛星的偽距多路徑.

圖8 各測站上BDS-3不同類型衛星偽距多路徑平均值

2.4 偽距觀測值噪聲

偽距觀測值噪聲是反映GNSS接收機綜合性能的重要指標之一，同時也反映了衛星信號本身的質量，且偽距觀測值噪聲與衛星信號的信噪比強弱緊密相關[14]，本文采用二次多項式擬合法計算各衛星頻段偽距觀測值噪聲.

圖9為TIT2、KRGG測站上BDS-3 IGSO、GEO、MEO衛星以及GPS的偽距觀測值噪聲平均值.從中可以發現各測站上GEO衛星的偽距觀測值噪聲要明顯大于IGSO、MEO衛星的偽距觀測值噪聲，這與BDS-3系統GEO衛星信噪比水平低于IGSO、MEO衛星存在密切關系；IGSO衛星偽距觀測值噪聲要小于大部分MEO衛星，而大多數MEO衛星偽距觀測值噪聲水平相當；整體上，BDS-3絕大多數衛星的偽距觀測值噪聲普遍小于0.3m.相較于GPS偽距觀測值噪聲平均值，可以發現大部分BDS-3衛星偽距噪聲稍大，但兩個系統偽距噪聲整體水平接近.

圖9 TIT2(左)、KRGG(右)測站上BDS-3衛星及GPS系統的偽距觀測值噪聲平均值

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

圖10 TIT2測站上BDS-3衛星的各頻段偽距觀測值噪聲

3 BDS-3定位精度分析

BDS-3觀測數據質量從源頭上影響了BDS-3定位性能和服務性能，對BDS-3定位性能進行分析也可進一步評估BDS-3的觀測數據質量.本文對BDS-3單頻、雙頻無電離層組合觀測值的偽距單點定位精度進行了分析，并對比分析了BDS-3、BDS-2、GPS的定位精度；在進行定位精度分析時，各MGEX測站的精確坐標由SINEX文件提供.在進行偽距單點定位解算時，剔除衛星高度角在10°以下及信噪比在25 dB·Hz以下衛星的數據，具體的解算策略如表4所示.

3.1 BDS-3各頻點SPP定位性能分析

本實驗采用TIT2、ULAB、GANP測站數據對BDS-3單頻和雙頻無電離層組合偽距單點定位性能進行分析.表5為BDS-3在相應測站上偽距單點定位精度.從表5可以發現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.同時可以發現，在各個測站上BDS-3各頻段在水平、高程方向定位精度均優于5m.此外，在各個測站上都存在雙頻無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雙頻無電離層組合觀測值將偽距噪聲放大的倍數遠大于B1I/B2a、B1I/B3I雙頻組合緊密相關.

表4 實驗SPP解算策略

表5 BDS-3偽距單點定位精度RMS m

3.2 BDS-2/BDS-3 SPP定位性能分析

為分析BDS-2、BDS-3在亞太及周邊區域的定位性能，本次實驗選取圖11中各測站觀測數據，對比分析BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3單頻（B1I、B3I）、雙頻無電離層組合觀測值（B1I、B3I）的偽距單點定位精度.

圖11 亞太及周邊區域測站上BDS-2、BDS-3平均衛星可見數與PDOP 均值

從圖11可以發現，在中國及附近區域，BDS-3、BDS-2可見衛星數及位置精度因子（PDOP）值大致相當；但在高緯度的ARHT、GCG0測站以及遠離亞太區域的KRGG測站上，BDS-3可見衛星數及PDOP值均遠優于BDS-2，這與BDS-2本身存在邊緣效應緊密相關.

從表6可以發現，在中國及附近的測站ULAB、WUH2、SG0C上，BDS-2、BDS-3定位性能相差不大；在遠離亞太區域的KRGG測站上，BDS-2系統定位精度遠低于BDS-3系統；在高緯度的測站GCG0、ARHT上，BDS-2大部分時間段無法定位，但BDS-3在水平、高程方向定位精度仍優于5m.此外，BDS-2/BDS-3單頻、雙頻無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，但在高緯度地區對BDS-3定位精度提升幅度很小.同時從表中也可發現：雙頻無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偽距單點定位精度RMS m

3.3 BDS-3/GPSSPP定位性能分析

本文在對各測站GPS各頻段進行SPP定位性能分析時發現：GPS L1頻段定位精度高于L2頻段；L5頻段多路徑效應/觀測值噪聲更小，但L5頻段可見衛星數較少及數據完整率低，導致其定位精度低于L1、L2頻段.從表5、表6可知：BDS-3中B3I單頻定位精度最高.因此本節只給出各測站BDS-3(B3I、B1I/B3I)、GPS(L1、L1/L2)水平及高程定位精度.

各測站相應系統可見衛星數可以反映該系統全球覆蓋的水平.PDOP值與各測站的可見衛星數及衛星的空間分布密切相關；衛星數越多，衛星幾何構型也會更好，PDOP值越小，相應的定位精度越高.圖12為各測站上BDS-3、GPS平均衛星可見數與PDOP均值.從圖中可知：BDS-3、GPS系統在大部分測站上平均可見衛星數及PDOP值相差不大；但在亞太及周邊區域的WUH2、ULAB、GCG0、SG0C、KRGG、ARHT測站上，BDS-3可見衛星數多于GPS系統，PDOP值更小.

圖12 各測站上BDS-3、GPS平均衛星可見數與PDOP 均值

圖13、圖14分別為BDS-3、GPS在各測站上單頻、雙頻無電離層組合偽距單點定位水平及高程方向定位精度.從兩個圖中可以看出，無論GPS、BDS-3均存在雙頻無電離層組合定位精度低于單頻定位精度的現象.同時也可發現，采用單頻定位時，BDS-3定位精度在大部分測站上略優于GPS；采用雙頻定位時，GPS在大部分測站上優于BDS-3.整體上，BDS-3、GPS系統定位性能大致相當，在全球各區域均能獲得水平優于3 m、高程優于4m的定位精度.

圖13 各測站上BDS-3、GPS單頻定位精度

圖14 各測站上BDS-3、GPS雙頻定位精度

4 結語

BDS-3最后一顆衛星成功發射并正常入軌，標志著BDS-3正式完成建設.本文基于MGEX站觀測數據從數據完整率、信噪比、偽距多路徑、偽距觀測值噪聲4個方面詳細分析了建成后BDS-3的觀測數據質量；同時研究了BDS-3各頻段偽距單點定位精度，并與BDS-2、GPS的定位精度進行對比分析.分析發現：

1）BDS-3在各測站上MEO衛星的數據完整率略低于GEO、IGSO衛星,各信號頻段的數據完整率相差不大，但B1C、B2a、B2b頻段數據完整率略高于其他頻段.BDS-3B1I頻段偽距多路徑值最大，且MEO衛星偽距多路徑要大于IGSO、GEO衛星的偽距多路徑，但各類型衛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衛星上，B1I、B3I頻段信噪比值大小表現出相反關系；且GEO衛星上B1I/B3I的信噪比隨著歷元出現頻繁波動，但BDS-2 GEO衛星沒有出現這種現象；BDS-3絕大多數衛星的偽距觀測值噪聲普遍小于0.3m，且BDS-3 GEO衛星的偽距觀測值噪聲要明顯大于IGSO、MEO衛星的偽距觀測值噪聲；

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，但在高緯度地區對BDS-3定位精度提升幅度很小.BDS-3與GPS系統定位性能大致相當，在全球各區域均能獲得優于3m的水平、4m的高程定位精度.