北斗三號與北斗二號衛星信號對比分析

天津七一二通信廣播股份有限公司 呂琳 韓明 張建軍 呂自鵬

隨著北斗三號衛星導航系統全面建成并提供全球服務，對北斗二號和北斗三號衛星信號質量的對比分析研究至關重要。本文采集相同測試環境下的北斗二號與北斗三號衛星觀測數據，針對B1、B3、B1c、B2a頻點從衛星數、天球路徑圖、可用率、仰角分布等方面完成分析與評估。結果表明，與BDS-2相比，BDS-3星座更加完善，數據可用率均在95%以上，信號質量較好。分析結果為北斗三號在工程應用中提供參考依據。

目前由我國建成的獨立自主、開放兼容的北斗三號全球衛星導航系統正式開通，為全球提供服務。北斗全球衛星導航系統空間段由若干地球同步軌道衛星（GEO）、傾斜地球同步軌道衛星（IGSO）和中圓地球軌道衛星（MEO）三種軌道衛星組成混合導航星座。北斗二號基本星座采取5GEO+5IGSO+4MEO的形式；北斗三號采取3GEO+3IGSO+24MEO的星座構成，并將視情部署在軌備份衛星，衛星與衛星之間具備通信能力，可以在沒有地面站支持的情況下自主運行。北斗三號衛星組網從區域走向全球，而且在載荷、星間鏈路、激光通信等方面也有進步，北斗三號增加了衛星搜救功能和全球位置報告功能等[1]。

北斗二號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B2I和B3I三個公開服務信號。北斗三號新增B1c、B2a、B2b（精密星歷），保留北斗二號B1I、B3I，B2I被B2a取代，提供B1I、B3I、B1c、B2a和B2b五個公開服務信號，其中B1c和B2a信號在北斗三號MEO衛星和IGSO衛星上播發[2-3]。

為了充分分析北斗二號和北斗三號衛星的信號數據質量，本文在同一時間，同一地點，同一測試環境下采集了監測站24小時的數據，從衛星數、天球路徑圖、可用率、仰角分布等方面進行了充分的對比分析，為系統全面利用北斗三號衛星導航信號提供技術參考和依據。

圖1(a) BDS-2衛星數量監測統計圖Fig.1 (a) Statistical map of BDS-2 satellite number monitoring

圖1(b) BDS-3衛星數量監測統計圖Fig.1(b) Statistical map of BDS-3 satellite number monitoring

1 衛星數

北斗二號共發射20顆衛星，北斗三號共發射35顆衛星。通過數據分析監測站跟蹤的衛星數，如圖1所示，BDS-2號可跟蹤到的衛星數量為10～16顆；北斗三號提供服務后，BDS-3可跟蹤到的衛星數量明顯增多，為18～26顆。一天內BDS-2衛星數平均在12顆左右，BDS-3衛星數平均在22顆左右，數量翻倍。圖中x軸為觀測時間，y軸為跟蹤的衛星個數。

2 衛星天球路徑圖

如圖2所示，從可用衛星的天球路徑圖可以看出[4]，與北斗二號衛星導航系統相比，隨著北斗三號軌道運行可用衛星數目增多，星座更完善，衛星全球網已經建成，已為全球提供服務。x軸為衛星方位角、y軸為衛星高度角。

3 可用率及仰角分布

數據可用率是指參與計算衛星總歷元數與觀測到的總歷元數之比[5]。如圖3和表1所示，評估了BDS-2和BDS-3衛星信號觀測值（偽距、載波相位、多普勒、信號強度）的觀測衛星數、可用率及衛星仰角分布情況。

表1 衛星信號觀測值、可用率Tab.1 Satellite signal observation value and availability

B1、B3頻點可觀測衛星數比B1c、B2a頻點可觀測衛星數稍多，如圖3(a)所示。

圖3(a) 觀測頻點及衛星數Fig.3 (a) Frequency points and number of satellites observed

從北斗系統數據可用率上看，B1、B3，B1c和B2a可用率均達到90%以上，B1c可用率最高，B2a比B1、B3可用率稍低，如圖3(b)所示。

圖3(b) 可用率Fig.3(b) Availability

從衛星仰角分布上看，北斗衛星導航系統大部分衛星仰角分布在20°～70°之間，如圖3(c)所示。

圖3(c) 衛星仰角分布Fig.3(c) Elevation distribution of satellite

4 結論

圖2(a) BDS-2 衛星天球路徑圖Fig.2 (a) Celestial path map of BDS-2 satellite

圖2(b) BDS-3 衛星天球路徑圖Fig.2 (b) Celestial path map of BDS-3 satellite

北斗衛星信號質量是影響服務質量的關鍵因素，是系統運行性能的體現，本文通過采集北斗二號和北斗三號的實際觀測數據，從衛星數、天球路徑圖、可用率、仰角分布等方面進行了分析，結果表明：

（1）BDS-3比BDS-2可視觀測衛星數增多，星座更加完善，可有效改善衛星星座幾何構型；

（2）數據可用率，B1、B3，B1c和B2a可用率均達到90%以上，B1c可用率最高，B2a比B1、B3可用率稍低，可用率低可能與接收機硬件設備和測試環境有關，觀測數據不夠穩定；

（3）BDS-3與BDS-2仰角分布基本一致，大部分衛星分布在20°～70°之間；BDS-3與BDS-2 B1、B3、B1c和B2a頻點載噪比均在40dB-Hz以上，信號質量較好。

引用

[1] 楊元喜,許揚胤,李金龍,等.北斗三號系統進展及性能預測:試驗驗證數據分析[J].中國科學:地球科學,2018,48(5):584-594.

[2] 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號B1C(1.0 版)[S].2017.

[3] 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號B2a(1.0 版)[S].2017.

[4] 劉季.北斗GEO衛星軌道算法研究[J].測繪地理信息,2012,37(5):33-36.

[5] 陳良,耿長江,周泉.iGMAS GNSS采集設備數據質量比較分析[C]//第六屆中國衛星導航學術年會論文集—S06北斗/GNSS測試評估技術,2015:60-63.