北斗三號與北斗二號衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)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

隨著北斗三號向用戶提供全天時(shí)、全天候、高精度全球定位導(dǎo)航服務(wù)，觀測數(shù)據(jù)評估工作成為系統(tǒng)應(yīng)用研究的重要環(huán)節(jié)，本文采集相同測試環(huán)境下的北斗二號與北斗三號衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，針對載噪比、多路徑效應(yīng)和定位精度等方面完成分析與評估。結(jié)果表明，BDS-2與BDS-3星座載噪比均在40dB-Hz以上，信號質(zhì)量較好，多徑效應(yīng)均在50cm以內(nèi)，抗多徑能力強(qiáng)，BDS-3在E和U方向上定位精度更高。

從北斗二號系統(tǒng)到北斗三號系統(tǒng)，北斗三號系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域擴(kuò)展到全球，性能指標(biāo)大幅提升，功能也得到顯著增強(qiáng)[1]。相較于北斗二號系統(tǒng)，北斗三號系統(tǒng)在以下性能方面得到了提升：(1)更高的精度，北斗三號系統(tǒng)建成后，全球定位精度提高到10～12m；在亞太地區(qū)定位精度，由原來的6m提升至5m。(2)更強(qiáng)的原子鐘，北斗三號衛(wèi)星采用了更高性能的銣原子鐘和氫原子鐘。(3)更新的技術(shù)，北斗三號衛(wèi)星通過采用新的技術(shù)，空間信號精度優(yōu)于0.5m。(4)更優(yōu)的信號。北斗三號衛(wèi)星增加了性能更優(yōu)的互操作信號B1C，同時(shí)，在全球系統(tǒng)中將B2I信號升級為性能更優(yōu)的B2a信號[2-3]。另外，北斗三號系統(tǒng)還可提供星基增強(qiáng)服務(wù)、國際搜索救援服務(wù)等。

為了充分分析北斗二號和北斗三號衛(wèi)星的信號數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文在同一時(shí)間，同一地點(diǎn)，同一測試環(huán)境下采集了監(jiān)測站24小時(shí)的數(shù)據(jù)，從載噪比、多路徑效應(yīng)和定位精度等方面進(jìn)行了充分的對比分析，主要分析的信號及頻點(diǎn)如表1所示，分析結(jié)果為系統(tǒng)全面利用北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航信號提供技術(shù)參考和依據(jù)。

表1 衛(wèi)星信號、頻點(diǎn)、中心頻率對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Correspondence between satellite signal, frequency point and center frequency

1 衛(wèi)星信噪比

信噪比是指載波信號平均功率與噪聲平均功率的比值[4]，用于評估接收機(jī)接收信號的能力及其信號跟蹤捕獲的性能，是衡量載波相位觀測量的重要指標(biāo)。

計(jì)算公式如下：

其中，ki為觀測歷元，n為衛(wèi)星數(shù)，CNR為載噪比。

如圖1所示，x軸BDSS1X、BDSS2I、BDSS5X 、BDSS6I對應(yīng)的頻點(diǎn)分別為 B1c、B1、B2a、B3，y軸為信噪比，BDS-2和BDS-3信號（除B2b外）一天內(nèi)的載

圖1 衛(wèi)星信號載噪比SNR Fig.1 SNR of satellite signal

噪比均值均在40dB-Hz以上，北斗衛(wèi)星信噪比高，表明衛(wèi)星信號質(zhì)量好，B2b低于40dB-Hz。

2 多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)即多路徑誤差，指接收天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號還可能收到經(jīng)天線周圍物體一次或多次反射的衛(wèi)星信號，兩種信號疊加會使觀測量產(chǎn)生誤差，而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制，甚至導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號失鎖和載波相位觀測量產(chǎn)生周跳[5]。

多路徑計(jì)算利用雙頻觀測數(shù)據(jù)，公式如下：

其中，A、B為不同的頻點(diǎn)，p、 、f為觀測偽距、φ載波相位和頻率。

如圖2所示可以看出，x軸BDSM1X、BDSM2I、BDSM5X 、BDSM6I對應(yīng)的頻點(diǎn)分別為B1c、B1、B2a、B3，y軸為多徑效應(yīng)RMS，均在50cm以內(nèi)，說明北斗系統(tǒng)具有較好的抗多徑能力，其中B2a頻點(diǎn)受環(huán)境影響較大，抗多徑效應(yīng)較弱。

圖2 BDS-3多路徑誤差均值Fig.2 Mean value of BDS-3 multipath error

3 定位精度

定位精度是指接收機(jī)定位結(jié)果與真實(shí)位置的接近程度[6]。如圖3所示，BDS-2和BDS-3單點(diǎn)定位精度坐標(biāo)分量誤差北（N）、東（E）方向均優(yōu)于天頂（U）方向，E方向精度最高，U方向精度最差。整體上，BDS-3定位精度優(yōu)于BDS-2定位精度，在E和U方向上，BDS-3的定位結(jié)果均方根RMS（1sigma）優(yōu)于BDS-2，定位精度明顯得到了提升。

圖3 (b) BDS-3 定位誤差RMSFig.3 (b) BDS-3 positioning error RMS

圖3 (a) BDS-2 定位誤差RMSFig.3 (a) Positioning error RMS of BDS-2

4 結(jié)論

衛(wèi)星導(dǎo)航定位的可靠性及準(zhǔn)確性依賴于衛(wèi)星觀測信號的質(zhì)量，本文通過采集北斗二號和北斗三號的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，從載噪比、多路徑效應(yīng)和定位精度等方面進(jìn)行了分析，并尤其對B1、B3、B1C和B2a頻點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。具體評估結(jié)果如下：

(1)BDS-3與BDS-2觀測衛(wèi)星數(shù)載噪比均值均在40dB-Hz以上，信號質(zhì)量較好；載噪比越高，接收機(jī)接收信號能力越強(qiáng)，數(shù)據(jù)的完整率會越高。

(2)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的信號具有不同的頻譜，可有效抑制多路徑效應(yīng)，更大程度地降低了對信號的干擾；B1、B3，B1C、B2a多徑效應(yīng)均在50cm以內(nèi)，其中B2a頻點(diǎn)受環(huán)境影響較大，抗多徑效應(yīng)較弱；(3)BDS-3在E和U方向上定位精度明顯優(yōu)于BDS-2。