一種新的方法對北斗三頻觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估

陳玲玲，蒙艷松，張立新

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安710100）

一種新的方法對北斗三頻觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估

陳玲玲，蒙艷松，張立新

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安710100）

針對北斗導航系統(tǒng)的測距信號，特別是載波相位觀測值的精確與否將直接影響其精密應用，因此本文通過偽距多路徑誤差和載波相位噪聲兩個方面對北斗三頻觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析。利用偽距載波相位組合法推導出三頻信號的多徑誤差估計模型；并針對零基線雙差法對載波相位觀測值精度評估時，必須要求在同一個測站有兩個相同型號的接收機對兩顆衛(wèi)星的三頻觀測數(shù)據(jù)的情況，提出利用無幾何相位無電離層組合法，實現(xiàn)單個接收機對單個衛(wèi)星接收到的三頻載波相位觀測值精度進行正確評估。通過實測數(shù)據(jù)驗證，發(fā)現(xiàn)采用三頻多路徑估計模型對偽距多徑誤差估計精度高，且數(shù)據(jù)利用率高；偽距多路徑誤差以及衛(wèi)星載波相位觀測值精度均與衛(wèi)星高度角成正比。當衛(wèi)星高度角大于40°左右，載波相位觀測值精度均在3 mm以內(nèi)。

數(shù)據(jù)質(zhì)量評估；三頻觀測數(shù)據(jù)；偽距多徑誤差；載波相位觀測噪聲

2012年底北斗導航系統(tǒng)為亞太區(qū)域提供定位、導航以及授時服務，其中包括5顆GEO（靜止軌道衛(wèi)星）、5顆IGSO（傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，均在傾角為55°的軌道面上）、4顆MEO（地球中軌衛(wèi)星），它們均能播發(fā) B1、B2、B33 個頻點信號[1]，其中 fB1=1561.098MHz，fB2=1 207.14 MHz，fB3=1 268.52 MHz。北斗導航系統(tǒng)的測距信號，特別是載波相位觀測值的精確與否將直接影響其精密應用，因此研究北斗信號質(zhì)量具有重要的實際意義[2]，測距信號中主要是多路徑誤差，是影響導航定位精度的一個重要因素，并且該項誤差無法很好的通過差分或者建模進行消除，該項誤差會導致精密單點定位的收斂時間較長以及其可靠度[3]。國內(nèi)外學者提出了一些分析和抑制多徑誤差的方法[15]。Yang等[4]使用零基線單差法對北斗GEO、IGSO和MEO 3類導航衛(wèi)星偽距和載波相位觀測精度進行了評估；程鵬飛等[5]從偽距相位差組合觀測值和多路徑誤差兩個方面分析了北斗衛(wèi)星的測距信號的質(zhì)量；Montenbruck等[7-8]使用三頻載波相位無幾何消電離層組合觀測值初步分析了北斗GEO和IGSO衛(wèi)星載波相位觀測值誤差。一直以來對北斗系統(tǒng)的分析主要集中在雙頻階段，對三頻信號質(zhì)量分析方面研究較少。本文主要從3個頻點上的信噪比，多徑誤差以及載波相位測量精度三個方面對北斗二代三頻信號進行質(zhì)量分析，該項工作對于仍然處在建設階段的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有重要的作用。

1 偽距多路徑誤差

衛(wèi)星的信噪比是接收機接收到的信號與噪聲之比[6]，與接收機、信號傳播路徑、衛(wèi)星天線的觀測仰角有關。文中利用IGS中心提供的MGEX數(shù)據(jù)中gmsd測站觀測到的2015年1月20的北斗三頻數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源進行分析。選取不同類型的衛(wèi)星C01（GEO），C10（IGSO），C11（MEO），分別對其進行分析，并加以比較。

偽距測量方程為：

載波相位觀測值表達式為：

理論上，北斗載波相位觀測噪聲遠小于偽距多徑誤差量級[5]，因此可以采用偽距和載波相位進行組合提取偽距的觀測誤差[7]，由文獻[8]知，假設接收機一直處于連續(xù)跟蹤，未發(fā)生周跳的狀態(tài)下，雙頻觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差估計模型為：

其中，λ1，λ2為載波 B1，B2頻點上的波長。可以看出，計算得到的MPi為偽距的多路徑誤差，其中除了系統(tǒng)的硬件延遲和觀測值的隨機噪聲還包含載波相位的整周模糊度，因此需要采用扣除均值后的殘差序列來估計每個頻點上的偽距多徑。

該數(shù)學模型對于雙頻觀測值可以順利求解，但是對于三頻數(shù)據(jù)，需要進行兩次運算，且每次運算中，對三頻數(shù)據(jù)的利用率不高。

針對雙頻信號的偽距多徑誤差數(shù)學模型對三頻數(shù)據(jù)的利用率不高的情況，并利用三頻觀測數(shù)據(jù)可以完全消除電離層延遲一階項并同時減弱電離層延遲二階項的影響的特點，推導出三頻信號的偽距多徑誤差的數(shù)學模型。

下面利用這兩種方法分別求解C10號衛(wèi)星B1、B2、B3頻點上的多徑誤差，并進行比較。

表1 不同組合條件下，C10號衛(wèi)星多徑誤差的標準差

圖1是在不同的信號組合條件下，用上述兩種多徑誤差估計模型得到的C10號衛(wèi)星3個頻點對應的偽距多徑誤差，其中圖 1（a）、圖 1（b）、圖 1（c）均是利用雙頻模型下得到的多路徑誤差，圖1（c）是利用三頻模型估計得到的多路徑誤差。表1為不同組合條件下，衛(wèi)星C10多徑誤差的標準差，其中MP1、MP2、MP3分別為3個頻點對應的多路徑誤差。由圖表可知，基于三頻信號模型估計的多路徑誤差精度更高，且計算量較雙頻模型小，數(shù)據(jù)利用率高。

2 載波相位噪聲

由于沒有比相位精度更高的測量數(shù)據(jù)，因此無法采用獲得偽距多徑的方法獲得單個頻點的相位噪聲[9]，可以利用相位無幾何無電離層法消除站星幾何距離、對流層延遲，組合后剩下3個載波相位組合后的測量噪聲。但在無幾何相位無電離層組合法使用之前需要對原始載波相位中的周跳進行正確探測與修復[13-15]，此時方程自由度為2，因此不能直接求出每個載波相位上的載波相位觀測噪聲。

圖1 在不同信號組合條件下，C10號衛(wèi)星的多徑誤差

目前對于載波相位噪聲的估計均是利用零基線雙差觀測值[12]進行評估，零基線雙差觀測值具體表示如下：

式中，i為頻率標識；j，k 為接收機標識；p，q 為衛(wèi)星標識；（Ni）pqjk為載波相位雙差模糊度參數(shù)；ε為雙差載波相位觀測噪聲；DDφi為對應頻率的載波相位雙差殘差。

由式（8）可知，零基線雙差觀測值消除了衛(wèi)星軌道誤差，電離層延遲誤差，衛(wèi)星鐘差，對流層延遲誤差以及接收機鐘差，因此該組合僅含有載波相位觀測噪聲，可以用來評估載波相位觀測值精度。然而由于該方法要求在同一個測站必須有兩臺型號相同的接收機，且必須有同時對兩顆星的觀測數(shù)據(jù)時，該方法方可使用。針對這種情況，并在零基線雙差觀測值法估計的北斗3個頻點上的載波相位觀測值精度相當?shù)囊阎獥l件下，提出利用三頻無幾何相位無電離層組合的殘差，實現(xiàn)在僅有單個接收機接收單顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的情況下，對載波相位精度進行評估。

無幾何相位無電離層組合法表達式如下：

對三頻無幾何距離無電離層組合的殘差進行歸一化，即可獲得單個頻點上相位噪聲的估計值。

其中，LGIF（ti）為無幾何無電離層組合后的值，，上式中還包含高階電離層等誤差的影響，因此用該式估計的相位噪聲會比實際噪聲略大。

首先對C01，C10，C11號星3個頻點接收到的載波相位值進行歷元間一次差分，結果如下：

圖2為3個頻點上的載波相觀測值歷元間一次差，反映的是接收機內(nèi)部整周計數(shù)器的變化值，也即衛(wèi)星靠近或遠離接收機的情況。當同一個接收機接收同一顆衛(wèi)星上的數(shù)據(jù)時，無論頻率如何，3個頻點上的該值均是同時增大或同時減小，交于零處，并且，頻率越大，該值變化越快。由此得出觀測到的數(shù)據(jù)無異常，可利用無幾何相位無電離層組合法對載 波相位觀測噪聲進行估計。

圖2 C01、C10、C11號星3個頻點上的載波相位觀測值歷元間一次差分值

圖3 C01，C10號星上3個頻點上載波相位噪聲與高度角的關系

圖3是分別利用歸一化的無幾何無電離層法求得的載波相位觀測噪聲值。由圖可知：

1）載波相位觀測值精度與衛(wèi)星高度角有關，高度角越大，載波相位噪聲越小。

2）GEO衛(wèi)星三頻載波觀測值精度較穩(wěn)定，載波相位精度在3 mm內(nèi)，對于IGSO衛(wèi)星，當衛(wèi)星高度角大于60°時，載波相位觀測值精度在1 mm內(nèi)。

3）該方法在單個接收機有對單顆衛(wèi)星的三頻觀測數(shù)據(jù)時，可以實現(xiàn)對載波相位觀測值的精度正確評估。

3 結束語

文中利用實測數(shù)據(jù)從多徑誤差、載波相位噪聲兩個方面對北斗三頻觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析。利用三頻偽距載波相位推導了北斗三頻偽距多徑誤差估計公式，通過與雙頻偽距多徑誤差估計模型相比，發(fā)現(xiàn)該模型對多徑誤差估計精度較高，且數(shù)據(jù)利用率高。并針對零基線雙差對載波相位觀測值精度進行評估時，必須具有兩個接收機對兩顆星的三頻觀測數(shù)據(jù)的情況，提出利用無幾何相位無電離層組合法實現(xiàn)僅有單個接收機對單顆衛(wèi)星的三頻觀測數(shù)據(jù)時的北斗三頻載波相位觀測值精度評估。但由于在進行質(zhì)量分析時采集的只是一天的數(shù)據(jù)，時間較短，規(guī)律性不足，因此該論文只是從一定程度上給出了北斗三頻信號質(zhì)量分析結果，具有一定的參考意義。

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A new method to assess the quality of Bei-Dou tri-band observation data

CHEN Ling-ling，MENG Yan-song，ZHANG Li-xin
（China Academy of Space Technology （Xi’an），Xi’an 710100，China）

Since the ranging signal in Bei-Dou navigation system，particularly the accuracy of carrier phase observations will directly affect its precision applications.The quality of the tri-frequency observation data in Bei-Dou satellite system were analyzed from two aspects in this article，Multipath error and carrier phase noise.The tri-band signals multipath error estimation model was deduced by using the pseudo-range carrier phase combination method.Since observations from two satellites use two identical receivers were necessary when the method of zero-baseline double-difference was used to assess the accuracy of carrier phase observations，the carrier phase noise estimation model was proposed by using the geometric-free phase method with observations

from one satellite use one receiver.Experimental results show that the accuracy using the tri-band model to estimate the multipath error is higher than using the dual model，and with a high utilization of data.pseudo-range multipath and carrier phase noise are proportional with satellite elevation angle.When the satellite elevation angle is greater than about 40 °，the accuracy of carrier phase measurements is less than 3 mm.

the quality of the observation data；triple-frequency data；pseudo-range multipath；noise of carrier phase

TN96

：A

：1674－6236（2017）13-0044-04

2016-05-06稿件編號：201605047

陳玲玲（1989—），女，安徽阜陽人，碩士研究生。研究方向：空間導航技術。