BDS?3觀測數據質量分析及精密定軌

楊鴻毅，王潛心，毛 亞，胡 超，何義磊

（中國礦業大學環境與測繪學院，徐州221116）

0 引言

我國北斗二代導航系統早已于2012年開始向亞太地區提供服務，目前共有5顆傾斜地球同步軌道衛星（IGSO）、6顆地球靜止軌道衛星（GEO）和3顆中地軌道衛星（MEO）共14顆衛星在軌運行。隨著2015年首顆BDS?3試驗衛星的成功發射，拉開了北斗導航系統全球化的帷幕。截止到2018年4 月，BDS?3 衛星共在軌5 顆試驗衛星（C31?C35）和8 顆組網衛星（C19、C20、C21、C22、C27、C28、C29、C30）。北斗衛星導航定位系統將于2020年左右完成全球組網，屆時將有24顆MEO、3顆GEO和3顆IGSO衛星在軌，基本實現全球覆蓋，正式向全球用戶提供服務［1］。表1給出了BDS?3衛星的具體參數［2］。

表1 BDS-3衛星狀態Table 1 BDS-3 satellites status

隨著BDS系統的快速發展，為實現與其他導航系統互操作，BDS?3系統在原播發信號 B1I（1561.098MHz）、B3I（1269.520MHz）的基礎上增加了新的導航信號，分別為：B1C（1575.42MHz）、B2a（1176.45MHz）、B2b（1207.14MHz［3?4］。學者們對BDS系統展開了研究，并取得了初步的結果。學者們詳細分析了北斗二代衛星的頻率穩定性，其千秒穩定度、萬秒穩定度和日穩定度分別為3×10-13～4×10-13、1×10-13～2×10-13、1×10-14～2×10-14，基本符合北斗二代系統原子鐘設計指標［5］。文獻［6］～文獻［8］對 BDS?3 試驗衛星進行了初步的研究，BDS?3試驗衛星原子鐘頻率穩定度比BDS?2提高了一個量級。文獻［9］主要分析了BDS?3系統C32～C34衛星5種信號的載噪比（C/N0）和偽距多路徑等性能，結果表明BDS?3的觀測數據質量同GPS L1/L2/L5 和 Galileo E1/E5a/E5b 相當。文獻［10］詳細探討了一步法、兩步法和法方程融合法等解算策略的定軌精度，取得了一定的成果。

目前，針對BDS?3的研究主要集中于觀測值質量以及軌道精度層面，少有文章系統的從信號質量、定軌精度以及鐘差性能方面進行分析。因此，本文參考現有的研究的成果，使用iGMAS觀測值數據，從信號質量到精密定軌精度以及鐘差性能等方面進行了系統研究。

1 數據質量分析

目前，能夠接收到雙頻 BDS?3衛星信號的GNSS觀測站僅有國際GNSS監測評估系統（Interna?tionalGNSS Monitoring ＆ AssessmentSystem，iGMAS）跟蹤網和部分多模 GNSS 實驗（Multi?GNSS Experiment，MGEX）跟蹤網。但是，MGEX測站僅能夠接收到B1I BDS?3信號，僅個別站能接收B3I信號，而iGMAS監測站則能夠接收到BDS?3系統的 B1I/B3I/B1C/B2a 信號。當前，能夠接收到BDS衛星數據的iGMAS測站為22個，其中能夠接收到 BDS?3 新型衛星（C19～C22、C27～C30）的測站為17個，各測站分布情況如圖1所示。選取2018年5月18日至2018年5月27日（年積日：138～147）共10天的觀測數據，從數據完整率、多路徑效應和周跳比3個方面對8顆衛星的B1C和B2a頻點的觀測數據質量進行分析。

圖1 用于定軌的MGEX與iGMAS測站分布Fig.1 MGEX and iGMAS stations distribution used for orbit determination

衛星信號在生成和傳輸過程中會因為各種原因（遮擋、時延、網絡中斷等）而造成數據缺失，從而影響了觀測數據可用性。針對數據質量的研究，文獻［11］～文獻［14］給出了數據完成率、信噪比和多路徑等數據質量指標的詳細計算模型和評估方法，在此本文不再做贅述。本文直接對BDS?3衛星數據質量進行分析。圖2～圖4給出了各iGMAS測站10天BDS?3衛星B1C和B2a信號的數據完整率、多路徑誤差和周跳比的平均值，表2則是給出了每顆衛星相應指標的平均值。

圖2 各測站衛星的數據完整率Fig.2 Data integrity rate of different satellites at different stations

圖3 各測站衛星的多路徑誤差Fig.3 Multipath error of different satellites at different stations

圖4 各測站衛星的周跳比Fig.4 Cycle slip ratio of different satellites at different stations

由圖2～圖4可知，TAHT不具備接收B1C和B2a頻點觀測數據的能力，不對其進行分析。對于B1C頻點，除BRCH、GUA1和ICUK外，測站的數據完整率平均值都大于70%；而對于B2a頻點，除GUA1測站，其余所有測站的數據完整率平均值都大于80%。可以明顯的看到，B2a頻點的數據完整率優于B1C頻點。ABJA測站B1C和B2a頻點的偽距多路徑誤差異常，最大分別達到16m和10m，周跳比高達700，表明周跳現象較為嚴重，出現這種情況可能與ABJA所處的環境有關。除此之外，CHU1和XIA1測站B2a頻點的偽距多路徑達到了3m的量級，DWIN、KNDY和PETH 3個測站個別衛星的周跳現象較嚴。

表2 BDS-3衛星的數據完整率Table 2 Data integrity rate of BDS-3 satellites

由表2可知，BDS?3衛星B2a頻點數據完整率均大于85%，而B1C頻點數據完整率在75%左右。B1C和B2a偽距多路徑誤差均在0.35m以下，且每顆BDS?3衛星B2a頻點的偽距多路徑誤差比B1C頻點小0.1m左右。近62%的BDS?3衛星周跳比小于10，周跳比大于10的情況集中體現在上述測站，其他測站比較穩定。C21和C22衛星的周跳現象嚴重于其他6顆衛星。

2 精密定軌精度分析

目前，能夠接收到BDS?3信號的測站數目較少且分布不均勻，大多分布在國內，且各測站的數據質量存在一定的差異。根據文獻［15］的相關研究，現有的可跟蹤BDS?3信號的測站無法滿足精密定軌需求。在多模多頻融合定軌研究中，充分運用各跟蹤網觀測數據可以提高參數解算強度，間接地提高解算參數精度。因此，本文針對BDS?3衛星跟蹤站較少和分布不均勻的問題，用分步法解算BDS?3衛星的精密軌道，即：首先利用GPS＋BDS?2觀測數據和對應的精密星歷進行精密單點定位，確定和iGMAS測站相關的參數（測站坐標、對流層參數、測站鐘差等）；然后將測站參數固定，采用iGMAS接收到的 BDS?3觀測數據求出 BDS?3衛星軌道、鐘差等參數。進行BDS?3衛星定軌采用的測站如圖1所示。

文中選取了2018年年積日138～147共10天的iGMAS和MGEX跟蹤站的觀測數據解算3天弧段的BDS?3衛星精密軌道、鐘差產品。由于在實驗期間，尚未提供可靠的BDS?3衛星的精密星歷和SLR觀測數據，本文采用重疊弧段的方法進行精度對比。在進行鐘差精度統計時，采用重疊弧段作二次差比較的方法，即先選擇一顆較為穩定的衛星鐘作為參考衛星鐘（本文選擇C19號衛星作為參考），將其他衛星與參考鐘作一次差消除因基準不同而引入的系統誤差

將作差后的解算鐘差與第二個定軌弧段內相同時間段內的鐘差作二次差

統計各顆衛星二次差后時間序列標準差STD以及RMS，分析各顆衛星鐘差的解算精度

圖5～圖6給出了實驗期間8顆BDS?3衛星重疊弧段軌道1D RMS和鐘差數據的RMS和STD，并在表3中給出了相應的統計信息。

圖5 重疊弧段軌道精度統計Fig.5 Accuracy of orbit overlap segment

圖6 重疊弧段鐘差精度統計Fig.6 Accuracy of clock offset overlap segment

表3 重疊弧段鐘差精度統計Table 3 Accuracy statistics of clock offset overlap segment

從圖5和表3的統計信息可以看出，采用分步法解算的8顆 BDS?3衛星軌道重疊弧段整體1D RMS優于20cm，徑向基本優于5cm，1D RMS 70%優于 15cm。其中，C19/C22/C30個別天出現異常，出現這種現象的主要原因是由于可觀測到的數據量較少。

因選擇C19為參考星，在對RMS進行分析時未做精度統計。通過分析可以發現：解算得到的8顆BDS?3衛星鐘差重疊弧段的STD和RMS基本優于0.5ns，說明解算的兩次處理過程的衛星鐘差產品相對穩定，不存在明顯的系統誤差，C30出現與軌道相同天的跳躍。

3 頻率穩定度分析

頻率穩定度表征了原子鐘授時的穩定性，是決定定位精度的一個重要因素［16］。下面給出頻率穩定度指標的計算公式。

在進行頻率穩定性分析之前，需對鐘差數據進行細致的處理，盡可能剔除鐘差數據中存在的粗差和鐘跳等異常值。本文采用比較常用的中位數法（MAD）進行異常值探測，具體如下

表4給出了 BDS?3、BDS?2衛星鐘差的頻率穩定度信息。可以發現，BDS?3衛星鐘差的千秒穩定度、萬秒穩定度和日穩定度分別可以達到4.64×10-13、8.55×10-14、1.28×10-14，相對于BDS?2系統分別提升了25.89%、8.25%和14.82%。

表4 頻率穩性計算結果Table 4 the result of frequency stability

4 結論

我國北斗衛星導航系統正處于快速發展階段，為分析BDS?3衛星觀測數據的質量，選擇能夠接收BDS?3衛星信號的iGMAS跟蹤站觀測數據作為研究基礎，著重介紹了BDS?3衛星的數據完整率、多路徑和周跳比情況。分析結果表明，BDS?3衛星信號的數據完整率基本在75%以上，多路徑誤差除部分異常站外均優于0.35m，超過62%的數據周跳比小于10。通過對BDS?3信號數據質量的分析，可以發現現有的BDS?3衛星觀測數據質量能夠基本滿足用戶的需求。在初步分析了BDS?3衛星的數據質量后，采用iGMAS和MGEX兩個跟蹤網的觀測數據進行了連續10天的三天弧段精密定軌實驗。對比分析了重疊弧段的軌道、鐘差精度，可以發現重疊弧段軌道1D RMS精度優于20cm，徑向精度基本優于5cm，解算的鐘差產品其RMS和STD精度均大部分優于0.5ns，說明解算的鐘差產品比較穩定，天與天之間沒有明顯的系統偏差。在實驗期間，解算的C29和C30兩顆衛星的軌道、鐘差精度出現部分天的跳躍情況，主要是由于觀測數據量較少的緣故。另外，為準確把握BDS?3衛星鐘差的頻率穩定度情況，采用解算得到的衛星鐘差產品分析了BDS?3衛星的頻率穩定度，其千秒穩定度、萬秒穩定度和日穩定度分別能夠達到4.64×10-13、8.55×10-14、1.28×10-14，相比于BDS?2衛星分別提升了25.89%、8.25%、14.82%。本文主要對BDS?3系統進行了初步的分析，對中國北斗衛星導航事業的發展具有一定的實際意義。