北斗觀測數據質量及動態PPP性能分析

何聰聰，王中元，張坦

( 中國礦業大學環境與測繪學院, 江蘇 徐州 221116 )

0 引言

北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是我國獨立自主的衛星導航系統，具備為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務能力. 2020年7月31日，中國正式對外宣布北斗三號(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)建成并開通，標志著北斗“三步走”發展戰略圓滿完成. 如今BDS已成為國家重要時空基礎設施，在國民經濟、國土安全、交通運輸、農林漁業、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災等方面扮演著重要角色[1-3]. BDS的建立吸引著國內外學者對其進行不斷研究. 李涌濤等[4]對BDS-3新信號B1C和B2a觀測數據質量進行了分析評估. Yang等[5]對BDS基本性能進行了細致的研究. Li等[6]對亞太區域的多系統衛星數據質量以及精密單點定位(precise point positioning，PPP)性能進行了研究，分析了不同衛星導航系統性能間的差異，上述研究都是針對同一區域內的衛星導航系統的性能進行研究，為了更好的評估BDS的性能，本文選取了9個位于不同區域多GNSS實驗 (Multi-GNSS Experiment，MGEX)測站，以GPS為參考，從衛星可見性、多路徑誤差、數據完整率及信噪比 (signal-to-noise ratio，SNR)、PPP精度等多方面對BDS的性能以及不同區域內的性能差異進行分析.

1 北斗數據質量分析

本文選取了2022年年積日(day of year，DOY)為28的9個MGEX測站的觀測數據，測站的具體信息及分布分別如表1和圖1所示，這些測站分布在亞洲、歐洲、美洲區域內，每個區域各分布三個測站，這些測站均可以正常接收BDS、GPS的多頻信號. 本文以衛星的可見性、SNR及偽距多路徑誤差等數據作為重要指標，評估BDS的觀測數據質量以及不同區域內的性能差異，為了更好地評估BDS的觀測數據質量，本文還加入了GPS作為參考對象.

圖1 MGEX測站分布圖

表1 測站信息

1.1 衛星可見性及數據完整率

圖2 和圖3分別為BDS和GPS在2022年DOY為28的衛星運行軌跡圖以及9個測站一天內觀測到的BDS、GPS衛星數量分布圖(衛星截止高度角為0°). 在運行軌跡圖中，藍色表示BDS的運行軌跡，橙色表示GPS在一天內的運行軌跡. 由圖2和圖3可知，在全球范圍內，GPS的運行軌跡分布比較均勻，而BDS得益于多種軌道類型的衛星以及更多的衛星數量，其衛星軌跡的密度明顯高于GPS衛星的軌跡密度，且在亞太區域內，BDS的運行軌跡明顯比其他區域的運行軌跡密集. 從圖3中9個MEGX測站的衛星觀測數量還可以看出BDS的衛星觀測數量明顯多于GPS的衛星觀測數量，其中BDS的衛星觀測數量可以達到15～25顆，而GPS的衛星觀測數量通常約為12顆. 并且BDS的衛星觀測數量具有明顯的區域特征. 首先亞洲區域可觀測衛星數量最多可達20～25顆，其次歐洲區域約為15顆，最后美洲區域約為10顆，而GPS的衛星觀測數量并沒有類似的趨勢，在全球范圍內的衛星觀測數量具有較高的一致性，與衛星的運行軌跡圖統一. 數據完整率通常是指接收機觀測到衛星的實際歷元數據量與理論歷元數據量的比值. 數據完整率越高，說明接收機觀測到的衛星數據越完整，數據質量越好. 本文所選取的9個MEGX測站中， BDS和GPS兩種衛星導航系統的數據完整率均為100%，數據質量在不同區域內沒有明顯差異，數據質量良好.

圖2 BDS和GPS運行軌跡圖

圖3 MEGX測站衛星觀測數量時序圖

1.2 SNR

SNR是指信號的強度與噪聲的強度之比. 通常SNR越高，表明信號越強，噪聲越小，數據質量越好[7].SNR受觀測環境及接收機跟蹤捕獲信號能力的影響，能夠反映測距信號的水平. 圖4為DYNG、GAMG、YEL2三個MEGX測站的部分衛星的不同頻率信號的SNR隨高度角變化的關系圖. 其中DYNG測站位于歐洲區域，BDS選取的衛星為C12、C28，GPS選取的衛星為G04，如圖4中的第一行所示；GAMG測站位于亞洲區域，為了有足夠的觀測數據，BDS選取的衛星為C12、C36，GPS選取的衛星為G14，如圖4中的第二行所示；YEL2測站位于美洲區域，衛星的選取與DYNG測站相同，如圖4的第三行所示，上述選取的C12、C14為BDS-2的衛星，C28、C36為BDS-3衛星，均為中圓地球軌道(medium earth orbit，MEO)衛星.

圖4 各測站SNR隨高度角變化趨勢

由圖4可知，不同衛星、不同頻率信號的SNR與衛星高度角呈正比關系，隨著高度角的增大，SNR也會有明顯的提升. 三個位于不同區域內的MEGX測站，同一衛星不同頻率信號的SNR呈現出了相同的趨勢，在BDS-2三種頻率的信號中，B1I頻點的SNR明顯低于B2I、B3I頻點的SNR；BDS-3五種頻率中B1C的SNR最小，B3I的SNR最大，其余頻率的SNR相差不大；GPS的三種頻點的SNR中，GPS的L5頻點的SNR明顯好于L1、L2頻點的SNR. 為了更好地分析不同區域間的差異，本文統計了上述三個測站不同衛星不同頻點SNR的平均值，如表2所示. 表2中BDS-2、BDS-3、GPS指代的是進行統計的導航衛星系統的類型，具體指代衛星與上文相同，由表2可知，SNR信息在不同區域內的MEGX測站中展現了相同的趨勢，其中，BDS-2中B1I頻點的SNR的平均值相比B2I、B3I頻點低3～4 dB，在BDS-3中B1C頻點SNR的平均值最低為45 dB，相比于B3I頻點低3 dB，而其他頻點的SNR平均值相差不大，GPS不同頻點的SNR平均值中L1、L2頻點相比L5頻點低4～5 dB. 從這些SNR平均值的信息中可以看出BDS-3的信號強度整體是要略優于BDS-2、GPS的，BDS在不同區域內SNR強度雖略有區別，但并沒有明顯的差異.

表2 各測站不同頻點SNR平均值 dB

1.3 偽距多路徑效應

偽距多路徑效應是指非直達導航信號引入的測距誤差，該誤差是在 GNSS 接收機周圍環境復雜時，會導致進行在GNSS觀測時，接收機不僅接收到來自衛星的信號，還會接收到周圍物體反射的衛星信號，這種現象叫做多路徑效應[7-8]. 偽距多路徑效應越小，說明接收機觀測到的衛星數據越精確，數據質量越好. 偽距多徑是觀測數據質量評估的重要指標，其性能直接影響到導航定位服務的性能. 圖5為三個位于不同區域內的MEGX 測站的偽距多路徑誤差隨高度角的變化圖. BDS-2以衛星C12為例，BDS-3以衛星為C32為例，均為MEO衛星. 為了更好地評估BDS的衛星觀測數據質量，本文分別比較了不同測站內同一衛星、同一頻點的偽距多路徑誤差，如圖5第一行所示；同一測站內不同衛星、同一頻點的偽距多路徑誤差，如圖5第二行所示；以及同一測站內同一衛星、不同頻點的偽距多路徑誤差，如圖5第三行所示.由圖5可知，偽距多徑誤差和衛星高度角之間存在相反的關系，偽距多路徑誤差越大，衛星高度角越小，反之亦然. 從不同測站的比較中還可以看出，位于不同區域內的三個MEGX測站DYNG、GAMG、YEL2的同一衛星，同一頻點的偽距多路徑誤差隨高度角變化的趨勢并沒有明顯的差異，均隨著高度角的增大，偽距多路徑誤差在減小，但在BDS-2中B1I頻點的多路徑誤差隨著高度角的增大并沒趨于穩定，而是逐漸發散.

圖5 多路徑誤差隨高度角變化趨勢

在BDS-2和BDS-3相同頻點的偽距多路徑誤差比較中，位于不同區域內的測站的偽距多路徑誤差隨高度角變化的趨勢與偽距多路徑誤差的發散程度保持了一致，且BDS-3的同頻點的偽距多路徑誤差明顯小于BDS-2同頻點的偽距多路徑誤差，BDS-3的B1I頻點也沒有出現BDS-2的B1I頻點的偽距多路徑誤差隨衛星高度角發散的現象. 在BDS-3不同頻點的偽距多路徑誤差比較中，三個不同區域內的測站比較結果并無顯著差異，但BDS-3不同頻點的偽距多路徑誤差具有較為明顯差異，在本文選取的三個BDS-3頻點中，B2a、B2b頻點的偽距多路徑誤差明顯小于B1I頻點的偽距多路徑誤差.

2 北斗動態PPP性能

PPP是一種高精度的衛星定位技術，其利用一臺GNSS接收機的載波相位和測碼偽距觀測值，采用高精度的衛星軌道和鐘差產品，并通過模型改正或參數估計的方法精細考慮與衛星端、信號傳播路徑及接收機端有關誤差對定位的影響，實現高精度定位的一種方法[9-10]. PPP 模糊度固定(PPP ambiguity resolution，PPP-AR)解決了PPP浮點解精度低等缺點，隨著GNSS分析中心先后開始發布相關產品，使得用戶獲取 PPP-AR得以實現. 多實驗表明，PPP-AR可以提高定位精度、縮短收斂時間[11-13]. 本文中，模糊度固定過程為先計算星間單差寬巷模糊度估值，然后通過取整法固定星間單差寬巷模糊度，其次通過星間單差浮點模糊度和星間單差寬巷模糊度得到星間單差窄巷模糊度估值，最后通過取整法固定星間單差窄巷模糊度，從而求得各歷元固定解. 為了研究不同區域內BDS的定位性能，本文選擇了9個MGEX測站進行仿動態PPP和PPP-AR實驗，所選取的數據觀測間隔為30 s，觀測日期與測站分布信息同上，精密產品均由武漢大學分析中心提供.

圖6為9個MEGX測站PPP和PPP-AR定位結果在E、N、U三個方向上的定位精度，C表示BDS，包含BDS-2和BDS-3，G表示僅GPS，GC表示BDS+GPS. 由圖6可知，BDS和GPS的定位結果均達到了厘米級的精度，且兩種定位解算結果中E、N方向上的定位精度明顯優于U方向上定位精，其中E、N方向上大部分測站的定位精度在1 cm以內，U方向的精度大部分在2 cm以內. 在三種系統組合中，除去部分測站外，兩種定位解算結果的定位精度均為BDS+GPS的系統組合的定位精度最優，GPS次之，BDS的定位精度最低，多系統對于提高定位精度具有顯著的效果. 表3統計了不同區域內多個MEGX測站BDS、GPS的PPP和PPP-AR的平均定位精度以及模糊度固定率，由表3可知，雖然BDS的衛星可見數量在亞洲區域內明顯多于其他區域，但定位精度相比于其他區域并沒有明顯優勢. 在水平方向上，亞洲區域的定位精度低于其他區域；而在垂直方向上，亞洲區域的定位精度則要優于其他區域. 在劃分的三個區域內，除了部分區域內的PPP的定位精度BDS略優于GPS外，大多數解算情況下GPS的定位精度均要優于BDS的定位精度，尤其在U方向上精度差距最高達到了34%.

圖6 9個MEGX測站定位解算精度

表3 不同區域平均定位精度

從模糊度固定率可以看出，BDS在亞洲區域內的模糊度固定率優于其他區域，且略優于GPS；而GPS的模糊度固定率在不同區域并沒有顯著差異，保持了較好的一致性，其中在美洲和歐洲區域GPS的模糊度固定率優于BDS. 通過比較PPP和PPPAR的定位精度可以看出，不同區域內，模糊度固定解算對于提升BDS的定位精度的作用并不明顯，在本文所選取的測站中，只有在美洲和歐洲區域內，E方向上的定位精度有約16%的提升，相較而言模糊度固定解算對于提升GPS的定位精度的作用則比較明顯，在不同方向上的精度均有一定提升，其中，E方向提升約18%，N方向提升約20%，U方向提升約5%.

3 結束語

本文選取了三個不同區域內共9個 MGEX 跟蹤站的觀測數據，從衛星可見性、偽距多路徑誤差、數據完整率、SNR以及PPP精度五個方面對BDS的數據觀測質量以及定位精度進行對比分析，結果表明：

1)在數據質量方面，BDS的衛星可見數量，運行軌跡密度具有明顯的區域特征，其中亞洲區域明顯優于其他區域，數據完整性、SNR、偽距多路徑誤差在不同區域間并沒有明顯差異. BDS整體的數據質量達到了與GPS相當的水平，尤其BDS-3在SNR強度上要略優于GPS，且BDS-3在SNR強度，偽距多路徑誤差等數據質量方面明顯優于BDS-2，BDS不同頻點間的數據質量也有明顯的差異，BDS-2中 B1I、BDS-3中B1C 頻點的數據質量明顯弱于其他頻點的數據質量.

2)在定位精度方面，GPS與BDS的動態PPP定位性能均達到的較高的精度，但BDS PPP和PPP-AR的定位精度是要低于GPS，且多系統對于提高定位精度具有較為明顯的作用. BDS在不同區域間定位精度并沒有明顯的區域性差異，在本文所選取的測站中，PPP-AR對于提升BDS定位精度的作用并不明顯.