北半球高緯地區北斗三號定位性能分析

王勝騫，韓 琦，王 星，王洪龍，宋大鵬

（1.山東正元數字城市建設有限公司，山東 煙臺 264000）

北半球高緯地區即北緯60°以北的廣大區域，自然條件惡劣，常年被冰雪覆蓋，但存儲著非常豐富的自然資源[1-2]。隨著全球對北半球高緯地區考察的加快，考察過程中位置與路線的確定、考察結果的可靠性是非常重要的，因此衛星導航定位系統在北極考察中具有不可替代的作用[3-4]。我國的北斗衛星導航系統（BDS）已完成了北斗二號（BDS-2）、北斗三號（BDS-3）的建設，可向全球提供高精度導航與定位服務。BDS-2衛星主要分布在亞太地區，能對北半球高緯度大部分地區進行覆蓋，但不能提供連續可靠的定位；隨著BDS-3的完善，相信BDS可在北半球高緯地區實現高精度導航與定位[5]。BDS定位精度的可靠性與可行性很大程度上取決于其數據質量，數據質量越好定位精度越高，反之定位精度越低甚至不能進行定位，因此在數據處理前進行數據質量分析是十分必要的[6-7]。自BDS-3建設以來，很多學者對其數據進行了評估，如程軍龍[8]等對BDS-3觀測數據的質量和定位精度進行了初步評估，結果表明BDS-3的B3I頻率高于BDS-2，其他頻率相當，BDS-3的偽距B2a、B2b和B3I與BDS-2的B3I大小相當，B1I、B1C與B1I、B2I大小相當，BDS-3中沒有觀測到系統偏差，BDS-3的觀測噪聲與BDS-2相當，BDS-3衛星的加入有效改善了衛星幾何分布、偽距單點定位與短基線相對定位精度；李涌濤[9]等評估了BDS-3新信號B1C和B2a觀測數據的質量，結果表明B1C數據完整率大于B2a，B2a的多路徑誤差、偽距噪聲和載噪比優于B1C，BDS-3的偽距噪聲大于GPS和Galileo，其數據完整率、多路徑誤差、載噪比與GPS、Galileo相當；張楷時[10]等評估了BDS-3 MEO組網衛星數據的質量，發現其數據質量良好，定位性能優良。

通過上述研究可知，對于北半球高緯地區BDS-3數據質量的評估較少，因此本文以位于北半球高緯地區的跟蹤站實測數據為基礎，從衛星可見數、PDOP值、數據完整率、信噪比、多路徑等方面評估了BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3數據的質量，并分析了3種情況下的偽距單點定位與精密單點定位精度。

1 衛星可用性

本文選取位于北極地區的SOD3站連續7 d的實測數據，采樣頻率為30 s，接收機類型為JAVAD TRE_3 DELTA，天線類型為JAVRINGANT_DM，能同時接收BDS-2和BDS-3衛星B1I、B2I（B2b）、B3I信號。BDS-3衛星保留了BDS-2衛星的B1I和B3I頻率，將BDS-2的B2I頻率改名為B2b，頻率不變，改變了調制類型。衛星可用性是決定定位精度高低的基礎，主要包括衛星可見數和PDOP值。本文對衛星可見數和衛星空間幾何結構進行了分析，結果如圖1、2所示。

圖1 衛星可見數

由圖1可知，在觀測的前6 h，BDS-3的衛星可見數少于BDS-2，隨后BDS-3的衛星可見數多于BDS-2，BDS-2/BDS-3組合下衛星可見數比BDS-2、BDS-3有明顯增加。由圖2可知，BDS-2的PDOP值很大，表明北半球高緯地區BDS-2衛星空間幾何結構很差；BDS-3的PDOP值小于BDS-2，再結合圖1可以發現，BDS-3的PDOP值隨著衛星數量的減少明顯增加；而BDS-2/BDS-3組合下的PDOP值明顯小于BDS-2、BDS-3，表明BDS-2/BDS-3的衛星空間幾何結構有了明顯改善。

圖2 PDOP值

2 數據質量評估

數據質量在很大程度上決定了定位精度的可靠性，因此在數據處理前進行數據質量評估是十分必要的。常規的數據質量評估指標包括數據完整率、信噪比、多路徑和周跳比等，本文從信噪比、多路徑兩個方面來評估北半球高緯地區BDS-3數據的質量。

2.1 信噪比

信噪比是信號觀測強度與觀測噪聲的比值，是表示觀測信號強度的主要指標。信噪比越大表明觀測信號強度越強，可直接從觀測文件中獲取。BDS-2和BDS-3各頻率的信噪比如圖3所示，可以看出，BDS-2和BDS-3的MEO衛星信噪比變化趨勢相當，且在高度角變化過程中大于部分BDS-2衛星信噪比。

圖3 信噪比

為了進一步對比分析BDS-2和BDS-3的信噪比，本文計算得到BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3各頻率的平均信噪比，結果如圖4所示，可以看出，BDS-3的平均信噪比最優，BDS-2/BDS-3次之，BDS-2最差；B1I頻率BDS-2的平均信噪比為42.99 dB-Hz，BDS-3的平均信噪比為45.71 dB-Hz，BDS-2/BDS-3的平均信噪比為43.57 dB-Hz；B2I/B2b頻率BDS-2的平均信噪比為43.25 dB-Hz，BDS-3的平均信噪比為48.54 dB-Hz，BDS-2/BDS-3的平均信噪比為46.02 dB-Hz；B3I頻率BDS-2的平均信噪比為43.17 dB-Hz，BDS-3的平均信噪比為47.89 dB-Hz，BDS-2/BDS-3的平均信噪比為45.82 dB-Hz；B3I與B2I/B2b頻率的信噪比相當，優于B1I頻率的信噪比。

圖4 平均信噪比

2.2 多路徑

多路徑是接收機接收到經過地物反射的多種衛星信號疊加而產生的延遲，也是評估數據質量的主要指標之一。BDS-2和BDS-3各頻率的多路徑結果如圖5所示，可以看出，BDS-2、BDS-3各頻率多路徑隨著高度角的增加而減小，3個頻率的多路徑均為3 m，但在BDS-3中沒有觀測到BDS-2中存在的系統偏差，這對于偽距單點定位精度的提升具有重要意義。

圖5 多路徑

本文進一步統計了BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3各頻率多路徑RMS值，如圖6所示，可以看出，BDS-3的多路徑RMS值最小，BDS-2/BDS-3次之，BDS-2最大；B1I、B2I/B2b、B3I的多路徑RMS值呈遞減趨勢；B1I頻率BDS-2的多路徑RMS值為0.59 m，BDS-3的多路徑RMS值為0.46 m，BDS-2/BDS-3的多路徑RMS值為0.53 m；B2I/B2b頻率BDS-2的多路徑RMS值為0.43 m，BDS-3的多路徑RMS值為0.26 m，BDS-2/BDS-3的多路徑RMS值為0.34 m；B3I頻率BDS-2的多路徑RMS值為0.35 m，BDS-3的多路徑RMS值為0.29 m，BDS-2/BDS-3的多路徑RMS值為0.31 m。

圖6 多路徑RMS值

3 定位性能分析

對于北半球高緯地區BDS的定位性能，本文主要分析了BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3三種情況下B1I、B2I/B2b、B3I頻率的偽距單點定位精度，B1I/B2I（B2b）、B1I/B3I、B2I（B2b）/B3I三種組合下的精密單點定位精度。

3.1 偽距單點定位

偽距單點定位是利用偽距觀測值，采用單臺GNSS接收機確定接收機絕對位置的測量方式，被廣泛應用于船舶車輛導航中。3種情況下的偽距單點定位精度如圖7所示，可以看出，在北半球高緯地區，BDS-2的B1I、B2I、B3I頻率偽距單點定位E方向和N方向的定位精度優于4 m，U方向的定位精度約為6 m；BDS-3各頻率E方向和N方向的定位精度優1 m，U方向的定位精度優于2 m；BDS-2/BDS-3各頻率的定位精度優于BDS-2、BDS-3，E方向和N方向的定位精度優于0.5 m，U方向的定位精度優于1.5 m；北極地區BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3三種情況下各頻率的偽距單點定位精度相當。

圖7 偽距單點定位精度

3.2 精密單點定位

在進行雙頻精密單點定位數據處理時，模型采用雙頻無組合電離層模型，精密星歷與鐘差采用武漢大學研發的對應產品，計算得到不同組合下的定位精度如圖8所示，可以看出，北半球高緯地區B1I/B2I（B2b）、B1I/B3I對應的相同衛星系統精密單點定位精度相當，BDS-2衛星E方向和N方向的定位精度約為10 cm，U方向的定位精度優于30 cm；BDS-3衛星E方向和N方向的定位精度優于10 cm，U方向的定位精度優于25 cm；BDS-2/BDS-3組合E方向和N方向的定位精度優于6 cm，U方向定位精度優于20 cm。相較于另外兩種組合，B2I（B2b）/B3I組合的精密單點定位精度略差，BDS-2衛星E方向和N方向的定位精度約為20 cm，U方向的定位精度優于40 cm；BDS-3衛星E方向和N方向的定位精度約為10 cm，U方向的定位精度優于30 cm；BDS-2/BDS-3組合E方向和N方向的定位精度優于10 cm，U方向的定位精度優于25 cm。

圖8 精密單點定位精度

4 結語

為詳細分析BDS-3在北半球高緯地區的定位情況，本文基于位于北半球高緯地區的SOD3站，評估了北半球高緯地區BDS-3數據的質量，分析了北半球高緯地區BDS-3的偽距單點定位精度和精密單點定位精度，經研究發現：

1）北半球高緯地區BDS-3的衛星可見數與衛星空間幾何結構優于BDS-2，而BDS-2/BDS-3組合可有效改善北半球高緯地區BDS的衛星可見數和衛星空間幾何結構。

2）在北半球高緯地區，BDS-3各頻率的平均信噪比約比BDS-2高5 dB-Hz。BDS-2/BDS-3組合的平均信噪比優于BDS-2，小于BDS-3。各頻率對應衛星的平均信噪比相當。BDS-2和BDS-3的多路徑在3 m以內。BDS-3的多路徑RMS值最小，BDS-2/BDS-3次之，BDS-2最大。B1I、B2I/B2b、B3I的多路徑RMS值呈遞減趨勢，且BDS-3中沒有觀測到系統偏差。

3）在北半球高緯地區，BDS-2的偽距單點定位精度較差，BDS-3的偽距單點定位精度較優，3個頻率E方向和N方向的定位精度優于1 m，U方向的定位精度優于2 m。BDS-2的雙頻組合精密單點定位精度較差，BDS-3的雙頻組合精密單點定位精度較優，3種組合頻率E方向和N方向的定位精度優于10 cm，U方向的定位精度優于30 cm。BDS-2/BDS-3的偽距單點定位和精密單點定位精度均明顯優于BDS-2和BDS-3。