Galileo雙頻/三頻SPP定位精度分析

柳浩天,劉承禹，趙娟，吳皓，程熙

(1.西華師范大學(xué),四川 南充 637000; 2.96901部隊(duì)，北京 100089)

0 引 言

Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是歐洲自主設(shè)計(jì)研發(fā)的民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1-2],Galileo系統(tǒng)于20世紀(jì)末開始建設(shè),計(jì)劃由30顆衛(wèi)星組成且于2020年建設(shè)完畢,但2019年7月14日由于技術(shù)故障導(dǎo)致部分導(dǎo)航服務(wù)中斷,2019年8月18日恢復(fù)正常[3-5]．Galileo系統(tǒng)播發(fā)多頻信號,其中公開服務(wù)的主要有E1、E5a、E5b和E6四個頻率,其中E1和E5a頻率與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)播發(fā)的頻率重疊,保證了其與其他導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位的兼容性[6-8]．對于Galileo系統(tǒng)的定位性能,很多學(xué)者分析了其與其他導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位性能,文獻(xiàn)[9]初步評估北斗三號(BDS-3)試驗(yàn)星/GPS/Galileo短基線緊組合相對定位性能,發(fā)現(xiàn)相同類型接收機(jī)組成的基線系統(tǒng)偏差幾乎為0,緊組合模型相較松組合模型明顯提升了模糊度固定的成功率與可靠性,尤其是在衛(wèi)星可見數(shù)較少、單頻觀測情況下效果最為明顯;文獻(xiàn)[10]分析了GPS/Galileo/QZSS兼容頻率間的數(shù)據(jù)質(zhì)量以及定位性能,發(fā)現(xiàn)L1頻率和L5頻率數(shù)據(jù)質(zhì)量良好,QZSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量最優(yōu),而L1頻率組合定位精度最高,而QZSS/Galileo組合定位精度較低;文獻(xiàn)[11]針對單系統(tǒng)遮擋環(huán)境下定位性能較差問題,分析了6種不同截止高度角下BDS/GPS/GLONASS/Galileo多模組合SPP定位性能,發(fā)現(xiàn)在極端高度角為45°時,4系統(tǒng)組合定位較GPS單系統(tǒng)歷元可用率、定位精度有明顯提升,且定位性能更加穩(wěn)定;文獻(xiàn)[12]基于大量MGEX跟蹤站實(shí)測數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)可用率、數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)幾個方面對比分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)與Galileo數(shù)據(jù)質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)BDS/Galileo組合已具備全球定位能力,BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量比Galileo數(shù)據(jù)質(zhì)量略差,與GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量相當(dāng);文獻(xiàn)[13]分析了GPS/Galileo實(shí)時精密單點(diǎn)定位精度,發(fā)現(xiàn)GPS/Galileo組合實(shí)時靜態(tài)精密單點(diǎn)定位精度與收斂時間較GPS單系統(tǒng)都有明顯的提升．

鑒于當(dāng)前對Galileo單系統(tǒng)定位性能研究的現(xiàn)狀,本文基于MGEX跟蹤站多頻Galileo數(shù)據(jù),分別采用雙頻無電離層組合模型和三頻無電離層兩兩組合模型分別解算Galileo雙頻與三頻數(shù)據(jù),根據(jù)解算得到的雙頻和三頻單點(diǎn)定位(SPP)結(jié)果,進(jìn)一步分析Galileo系統(tǒng)雙頻與三頻SPP定位精度．

1 Galileo雙頻與三頻SPP定位模型

Galileo主要觀測值為偽距觀測值與載波觀測值,其中SPP常用的觀測值類型為偽距觀測值,而雙頻組合SPP定位常用的模型為雙頻無電離層組合模型,其公式可以表示如下[14]

(1)

在利用三頻無電離層兩兩組合模型進(jìn)行定位時,為保證兩個雙頻無電離層參數(shù)的一致性,因此需要引進(jìn)一個偽距間偏差參數(shù),三頻無電離層兩兩組合線性觀測方程可表示為[15]:

(2)

利用式(1)、(2)進(jìn)行雙頻和三頻SPP定位時,其中衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星位置由IGS官網(wǎng)下載的廣播星歷計(jì)算得到,采用Saastamoinen 模型進(jìn)行對流層延遲改正,接收機(jī)鐘差可以吸收接收機(jī)與衛(wèi)星端碼延遲,采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)．

2 數(shù)據(jù)處理分析

2.1 數(shù)據(jù)源及處理策略

為詳細(xì)分析Galileo系統(tǒng)雙頻與三頻SPP定位精度,本文選用MGEX參考站DWIN的Galileo系統(tǒng)多頻實(shí)測數(shù)據(jù),觀測時間為2020年4月16日—2020年4月20日00:00:00-24:00:00,采樣間隔為30 s．

采用RTKLIB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算,在進(jìn)行解算時,首先利用無電離層組合模型處理E1/E5a、E1/E5b、E5a/E5b、E1/E6四種雙頻組合數(shù)據(jù),然后利用三頻無電離層兩兩組合模型處理E1/E5a/E5b、E1/E6/E5b兩種三頻組合數(shù)據(jù),以IGS周解算坐標(biāo)作為參考值,以便計(jì)算Galileo雙頻與三頻SPP定位誤差與精度．

2.2 定位精度分析

首先分析Galileo系統(tǒng)的衛(wèi)星可見數(shù)與位置精度因子(PDOP)值,如圖1所示．

圖1 衛(wèi)星可見數(shù)與PDOP值

圖1中,在整個觀測時段,Galileo系統(tǒng)的衛(wèi)星可見數(shù)與PDOP值變化較大,衛(wèi)星可見數(shù)最多為8顆,最低為4顆,平均衛(wèi)星可見數(shù)為6顆,PDOP值最大為19.34,最低為1.86,平均PDOP值為3.69．

根據(jù)數(shù)據(jù)處理策略,IGS周解算坐標(biāo)作為參考值,將解算得到的全部歷元與參考值做差,得到Galileo不同雙頻與三頻組合SPP定位誤差序列如圖2所示．

(a)E1/E5a (b)E1/E5b (c)E5a/E5b

圖2中,Galileo雙頻組合E1/E5a、E1/E5b組合SPP定位誤差較小,E5a/E5b、E1/E6組合SPP定位誤差較大,而三頻組合E1/E5a/E5b、E1/E6/E5b組合較任一雙頻組合SPP定位誤差都有明顯減小．E1/E5a組合SPP在X方向定位誤差在±6 m之內(nèi)波動,Y方向定位誤差在±15 m之內(nèi)波動,Z方向定位誤差在±20 m之內(nèi)波動;E1/E5b組合SPP在X方向定位誤差在±5 m之內(nèi)波動,Y方向定位誤差在±10 m之內(nèi)波動,Z方向定位誤差在±20 m之內(nèi)波動;E5a/E5b組合SPP在X方向定位誤差在±50 m之內(nèi)波動,Y方向定位誤差在±50 m之內(nèi)波動,Z方向定位誤差在±300 m之內(nèi)波動;E1/E6組合SPP在X方向定位誤差在±30 m之內(nèi)波動,Y方向定位誤差在±50 m之內(nèi)波動,Z方向定位誤差在±200 m之內(nèi)波動;E1/E5a/E5b組合SPP在X方向定位誤差在±4 m之內(nèi)波動,Y方向定位誤差在±5 m之內(nèi)波動,Z方向定位誤差在±10 m之內(nèi)波動;E1/E6/E5b組合SPP在X方向定位誤差在±3 m之內(nèi)波動,Y方向定位誤差在±5 m之內(nèi)波動,Z方向定位誤差在±10 m之內(nèi)波動．

根據(jù)計(jì)算得到的Galileo系統(tǒng)雙頻與三頻定位誤差,統(tǒng)計(jì)X、Y、Z方向的均方根(RMS)值,然后取5天的RMS的均值進(jìn)行對比分析,并且統(tǒng)計(jì)三頻組合SPP定位精度相較雙頻SPP對應(yīng)方向定位精度的提升,如表1所示．

表1 Galileo三頻與雙頻SPP定位精度(RMS值)統(tǒng)計(jì)

如表1所示,Galile系統(tǒng)雙頻SPP定位E1/E5b定位精度最高,X方向和Y方向定位精度優(yōu)于1 m,Z方向定位精度優(yōu)于2.5 m;其次是E1/E5a組合定位,X方向和Y方向定位精度優(yōu)于1.1 m,Z方向定位精度優(yōu)于3 m;而E5a/E5b和E1/E6組合定位精度最差,X方向和Y方向定位精度低于5 m,Z方向定位精度低于20 m,不能滿足普通的定位要求．Galileo三頻組合SPP定位精度較雙頻組合SPP定位精度有明顯提升,X方向定位精度優(yōu)于0.6 m,Y方向定位精度優(yōu)于0.8 m,Z方向定位精度優(yōu)于2.3 m．同時發(fā)現(xiàn),Galileo系統(tǒng)兩種三頻組合SPP定位精度較E5a/E5b和E1/E6兩種雙頻組合SPP定位在X方向、Y方向、Z方向定位精度提升量在90%左右,而對E1/E5a和E1/E5b兩種雙頻組合SPP定位X方向、Y方向、Z方向定位精度的提升量一次遞減,對X方向定位精度提升量在40%左右,對Y方向定位精度提升量在20%左右,對Z方向定位精度提升量在10%左右．

3 結(jié)束語

為詳細(xì)分析Galileo系統(tǒng)雙頻與三頻SPP定位精度,本文基于MGEX跟蹤站Galileo多頻實(shí)測數(shù)據(jù),采用雙頻無電離層組合模型和三頻無電離層兩兩組合模型分別解算E1/E5a、E1/E5b、E5a/E5b、E1/E6雙頻和E1/E5a/E5b、E1/E6/E5b三頻組合SPP定位結(jié)果,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):

1) Galileo在亞太地區(qū)衛(wèi)星可見數(shù)較少,平均衛(wèi)星可見數(shù)只有6顆,其衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型也較差,平均PDOP值為3.69．

2) Galileo系統(tǒng)E1/E5b和E1/E5a雙頻組合SPP定位精度較高,能滿足一般的定位要求,而E5a/E5b和E1/E6雙頻組合定位精度過低,不能滿足一般的定位要求,不適合進(jìn)行單點(diǎn)定位．

3) Galileo系統(tǒng)三頻組合SPP定位精度較雙頻組合SPP定位精度有明顯提升,其中X方向和Y方向定位精度優(yōu)于0.8 m,Z方向定位精度優(yōu)于2.3 m,能為今后Galileo系統(tǒng)多頻組合定位研究提供一定的參考．