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北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析

许扬胤 杨元喜 何海波 李金龙 唐斌 章林锋

许扬胤, 杨元喜, 何海波, 李金龙, 唐斌, 章林锋. 北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(8): 1214-1221. doi: 10.13203/j.whugis20160219
引用本文: 许扬胤, 杨元喜, 何海波, 李金龙, 唐斌, 章林锋. 北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(8): 1214-1221. doi: 10.13203/j.whugis20160219
XU Yangyin, YANG Yuanxi, HE Haibo, LI Jinlong, TANG Bin, ZHANG Linfeng. Quality Analysis of the Range Measurement Signals of Test Satellites in BeiDou Global System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(8): 1214-1221. doi: 10.13203/j.whugis20160219
Citation: XU Yangyin, YANG Yuanxi, HE Haibo, LI Jinlong, TANG Bin, ZHANG Linfeng. Quality Analysis of the Range Measurement Signals of Test Satellites in BeiDou Global System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(8): 1214-1221. doi: 10.13203/j.whugis20160219

北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析

doi: 10.13203/j.whugis20160219
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFB0501700

国家重点研发计划 2016YFB0501701

国家自然科学基金 41374019

国家自然科学基金 41474015

详细信息
    作者简介:

    许扬胤, 博士生, 主要从事GNSS多频实时精密定位理论与算法研究。xu_yangyin@163.com

  • 中图分类号: P228

Quality Analysis of the Range Measurement Signals of Test Satellites in BeiDou Global System

Funds: 

The National Key R&D Program 2016YFB0501700

The National Key R&D Program 2016YFB0501701

the National Natural Science Foundation of China 41374019

the National Natural Science Foundation of China 41474015

More Information
    Author Bio:

    XU Yangyin, PhD candidate, specializes in the theory and algorithm of GNSS real-time precise positioning. E-mail:xu_yangyin@163.com

图(9) / 表(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-11-17
  • 刊出日期:  2018-08-05

北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析

doi: 10.13203/j.whugis20160219
    基金项目:

    国家重点研发计划 2016YFB0501700

    国家重点研发计划 2016YFB0501701

    国家自然科学基金 41374019

    国家自然科学基金 41474015

    作者简介:

    许扬胤, 博士生, 主要从事GNSS多频实时精密定位理论与算法研究。xu_yangyin@163.com

  • 中图分类号: P228

摘要: 目前,北斗全球卫星导航系统有5颗试验卫星发射试验信号。试验卫星数据质量分析是北斗全球系统信号体制验证的重要内容。基于单测站北斗试验卫星观测数据,采用伪距相位差组合和伪距多径组合方法,初步分析了试验卫星民用信号以及Bs频点信号伪距测量噪声和多径误差。结果表明,倾斜同步轨道卫星伪距测量精度优于中轨道卫星;在各导航信号中,B2a+b信号伪距测量精度最高,具有最优的抗多径性能;B1C信号伪距测量精度最低,抗多径性能最差;Bs信号伪距测量精度较差,但优于B1C信号,且其伪距多径存在一个与高度角相关的系统误差,在高度角最大时可达0.5 m。

English Abstract

许扬胤, 杨元喜, 何海波, 李金龙, 唐斌, 章林锋. 北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(8): 1214-1221. doi: 10.13203/j.whugis20160219
引用本文: 许扬胤, 杨元喜, 何海波, 李金龙, 唐斌, 章林锋. 北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(8): 1214-1221. doi: 10.13203/j.whugis20160219
XU Yangyin, YANG Yuanxi, HE Haibo, LI Jinlong, TANG Bin, ZHANG Linfeng. Quality Analysis of the Range Measurement Signals of Test Satellites in BeiDou Global System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(8): 1214-1221. doi: 10.13203/j.whugis20160219
Citation: XU Yangyin, YANG Yuanxi, HE Haibo, LI Jinlong, TANG Bin, ZHANG Linfeng. Quality Analysis of the Range Measurement Signals of Test Satellites in BeiDou Global System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(8): 1214-1221. doi: 10.13203/j.whugis20160219
  • 北斗卫星导航系统的验证系统、区域卫星导航系统已先后建成并提供服务[1-3], 中国已正式启动北斗全球卫星导航系统建设,并采用先试验、后组网策略, 目前共发射5颗试验卫星(I1-S、I2-S、M1-S、M2-S和M3-S),完成试验卫星部署。其中,I1-S和I2-S为倾斜同步轨道卫星(inclined geosynchronous satellite orbit, IGSO),M1-S、M2-S和M3-S为中轨道卫星(medium earth orbit, MEO)。试验卫星的主要目的是在轨验证北斗全球系统信号体制和星间链路策略的实际可行性[4-5],为区域卫星导航系统向全球卫星导航系统过渡提供经验。

    数据质量分析是全球系统信号体制验证的重要内容,可为北斗全球系统信号设计与改进提供依据,为卫星载荷设计、信号功率和天线改进提供参考。对于北斗二号一期数据质量,国内外学者针对北斗三频信号结构[6]、伪距观测质量[7]、载波相位观测质量[3]及北斗随机模型[8]等已展开了大量的研究。针对全球系统试验卫星的研究目前相对较少。Xiao等[5]初步分析了M2-S卫星L1频段B1、B2和B3频点信号的信号结构和调制方式;Cameron[9]通过跟踪解码,分析了I2-S卫星信号调制方式,指出北斗全球系统B1频点民用信号未来拥有与GPS L1C信号类似的结构。以上研究仅限于试验卫星信号分析,有关伪距和载波相位的质量分析目前还未见相关报道。

    本文主要针对试验卫星的伪距观测质量展开分析。伪距观测精度常采用无几何方法[10-11]进行评估,无几何方法通过伪距和载波相位观测值组合消去几何距离及特定误差影响,常用组合有伪距相位差(code minus phase combination, CC)组合[7, 10]、伪距多径(multipath combination, MP)组合[12-14]以及HMW (hatch Melbourne Wübbena)组合[15]等。本文采用CC和MP组合方法,利用一周的实测数据,量化了有关的伪距观测噪声和多径误差,初步分析了北斗试验卫星测距信号的数据质量。

    • 北斗区域卫星导航系统于2012年底正式投入运行,现有13颗工作卫星,每颗卫星发播B1I/Q、B2I/Q和B3I/Q这3个频率共6个导航信号。相比北斗区域卫星导航系统,北斗全球卫星导航系统的导航信号有所调整,其在L频段播发3个频率的导航信号B1、B2和B3,其对应的中心频率分别为1 575.42 MHz、1 191.795 MHz和1 268.52 MHz[5];在S频段新增一个授权信号Bs,中心频率为2 492.028 MHz。其中B1频点上播发1个民用信号B1C和1个授权信号B1A;B2频点上仅发射民用信号,记为B2a+b,两边带信号B2a和B2b可作为两个独立的导航信号使用[5];B3频点上发射1个民用信号B3C和1个授权信号B3A。试验卫星兼顾新信号体制和系统过渡的验证任务,在发播全球系统B1、B2、B3和Bs频点信号的同时,也播发北斗二号一期信号B1I、B3I/Q。

    • 试验卫星I1-S仅播发北斗二号一期B1I、B3I/Q信号。试验卫星I2-S、M1-S和M2-S同时播发北斗全球系统信号和北斗二号一期信号B1I、B3I/Q,其中Bs频点信号仅在I2-S和M1-S卫星上播发,B3C信号由于特定原因,现未播发。试验卫星M3-S目前正处于在轨测试阶段,还未正式投入使用。本文采用单测站数据对I1-S、I2-S、M1-S和M2-S卫星测距信号数据质量进行分析,数据采集时间为2016年1月22日零点到2016年1月29日零点,采集地点为北京,采样间隔为30 s。表 1给出了本文采集到的导航信号及其在各试验卫星上的播发情况。本文将采用CC和MP组合对表 1中各导航信号伪距质量进行分析。

      表 1  本文所分析试验卫星信号

      Table 1.  Signals of Test Satellites Analyzed in This Contribution

      卫星 卫星类型 信号
      I1-S IGSO B1I、B3I
      I2-S IGSO B1I、B1C、B2a、B2b、B2a+b、B3I、Bs
      M1-S MEO B1I、B1C、B2a、B2b、B2a+b、B3I、Bs
      M2-S MEO B1I、B1C、B2a、B2b、B2a+b、B3I
    • 信噪比可用来衡量测距信号质量的优劣,并间接反映观测量精度[8]。本文将各导航信号信噪比按卫星高度角2°间隔进行分段统计,每段数据取均值计算得到信噪比随高度角的变化情况。其中,B2a信号由于接收机原因未能参与统计。图 1给出了I1-S、I2-S、M1-S和M2-S卫星信噪比随高度角的变化情况。

      图  1  信噪比随高度角变化情况

      Figure 1.  Carrier-to-Noise Density as a Function of Elevation Angle

      图 1可以看出,相同高度角条件下,MEO卫星信噪比比IGSO卫星高2~3 dB-Hz,原因可能为IGSO卫星轨道高度更高,卫星发射功率偏低所致。

      图 1(b)图 1(c)可以看出Bs频点信噪比变化异常。I2-S卫星Bs频点信噪比随高度角增大,变化在35~57 dB-Hz之间,变化跨度大,且当高度角较大时,仍然显著增大。文献[11, 16]中提到GPS SVN49卫星L5频点信噪比也有类似的异常情况,具体原因有待进一步排查。而M1-S卫星Bs频点信噪比较其他频点明显偏低,经核实,为该卫星发射功率偏低所致。

    • 为分析伪距噪声,对各导航信号CC组合观测值分别作历元间差分,其残余时间序列主要受伪距噪声影响[7]。将差分所得伪距噪声序列按卫星高度角10°间隔统计其相对于零均值的均方误差(root mean square, RMS),并换算得到非差伪距噪声RMS。图 2给出了各试验卫星非差伪距噪声RMS随高度角的变化情况。表 2给出了整个观测时段各试验卫星不同信号总的非差伪距噪声RMS统计值。

      图  2  伪距噪声RMS值随高度角变化情况

      Figure 2.  RMS of Code Noise as a Function of Elevation Angle

      表 2  各试验卫星伪距噪声RMS/ m

      Table 2.  RMS of Code Noise of Test Satellites/ m

      卫星 B1 B2 B3 Bs
      B1I B1C B2a B2b B2a+b B3I B3C
      I1-S 0.10 0.06
      I2-S 0.10 0.18 0.11 0.06 0.03 0.05 0.12
      M1-S 0.23 0.28 0.20 0.19 0.07 0.20 0.26
      M2-S 0.23 0.29 0.22 0.19 0.07 0.21

      分析图 2表 2可得:

      1) 同一导航信号伪距测量精度在同类卫星间基本一致,在不同类型卫星间存在差异。相同高度角条件下,IGSO卫星伪距测量精度优于MEO卫星,且在低高度角时表现尤为明显。

      2) B2a+b信号伪距测量精度最高,在IGSO卫星上RMS为0.03 m,在MEO卫星上为0.07 m。分析原因为B2a+b信号采用AltBOC(alternative binary offset carrier)调制方式,且码速率较大(10.23 Mcps)。

      3) B1C信号由于码速率(1.023 Mcps)较小,且采用三环跟踪,容易引入更多的观测噪声[17],所以伪距测量精度最差,在IGSO卫星上RMS为0.18 m,在MEO卫星上为0.28~0.29 m。Bs频点伪距测量精度较差,但优于B1C信号。B2b和B3I信号伪距测量精度基本一致。

    • 本文采用MP组合分析伪距多径误差。MP组合采用两个载波相位观测值和一个伪距观测值进行线性组合,消去一阶电离层延迟和与频率无关项,残余序列主要受伪距多径误差影响[18]。考虑到I1-S卫星仅播发B1I和B3I信号,将MP组合中两个载波相位观测量选定为B1I和B3I信号载波,分别与各导航信号伪距观测值组合,进而分析不同信号的伪距多径误差。图 3给出了I2-S和M1-S卫星全球系统信号MP时间序列。图 4给出了二号一期IGSO (C10)卫星和I2-S卫星B1I和B3I信号MP时间序列比对情况。图 5给出了二号一期MEO (C14)卫星和M1-S卫星B1I和B3I信号MP时间序列比对情况。

      图  3  I2-S和M1-S卫星全球系统信号MP时间序列

      Figure 3.  MP Time Series of New Signals of I2-S and M1-S Satellites

      图  4  二号一期和试验卫星IGSO卫星B1I和B3I信号MP时间序列对比图

      Figure 4.  MP Time Series of B1I and B3I Signals of Testing and Compass II IGSO Satellites

      图  5  二号一期和试验卫星MEO卫星B1I和B3I信号MP时间序列对比图

      Figure 5.  MP Time Series of B1I and B3I Signals of Testing and Compass II MEO Satellites

      分析图 3图 4图 5可得:

      1) Bs频点伪距多径存在系统性误差。通常认为伪距噪声和多径误差具有白噪声特性[15],从图 3可以看出,I2-S和M1-S卫星Bs频点MP时间序列相对于零均值均存在偏移,不再具有白噪声特性,且该偏移量最大可达0.5 m,此现象说明Bs频点伪距多径中存在系统性误差。试验卫星其余频点MP时间序列则相对零均值存在一定的波动,但未见明显的系统性误差。

      2) 二号一期卫星B1I和B3I信号伪距多径中存在与高度角相关的系统性误差,但试验卫星B1I和B3I信号伪距多径中未见明显系统性误差。相关研究指出北斗二号一期卫星三频信号伪距中均存在与高度角相关的系统性误差[18, 19]。而I2-S和M1-S卫星B1I和B3I信号MP时间序列则变化正常,未见明显的类似系统性误差。

      为进一步分析Bs频点多径误差,图 6给出了7 d观测的Bs频点伪距多径误差随高度角变化情况,并对其进行了三次多项式拟合,该拟合结果可初步看作Bs频点伪距多径系统性误差随高度角的变化情况。从图 6中可以看出,此系统性误差与高度角相关。由于Bs频点是S频段信号首次作为GNSS导航信号,其信号的性能及其相比于L频段信号是否存在差异都有待分析和评估。因此,有关Bs频点MP序列中系统性误差产生的原因仍需进一步分析和验证。

      图  6  Bs频点伪距多径误差随高度角变化情况

      Figure 6.  Code Multipath Error as a Function of Elevation Angle of Bs Signal

      图  7  伪距多径RMS值随高度角变化情况

      Figure 7.  RMS of Code Multipath and Noise as a Function of Elevation Angle

      将7 d观测的伪距多径误差序列按高度角每隔10°进行分段,统计各高度角弧段内伪距多径误差序列相对于零均值的RMS。图 7给出了各试验卫星伪距多径RMS随高度角的变化情况。图 8给出了整个观测时段内各试验卫星不同信号总的伪距多径RMS。图 9给出了试验卫星及北斗二号一期IGSO、MEO卫星B1I和B3I信号伪距多径RMS。

      图  8  试验卫星伪距多径RMS

      Figure 8.  RMS of Code Multipath of Testing Satellites

      图  9  B1I和B3I信号伪距多径RMS

      Figure 9.  RMS of Code Multipath of B1I and B3I Signals

      对比分析图 7图 8图 9可得出如下结论:

      1) MEO卫星伪距多径误差大于IGSO卫星。从图 8可以看出,各导航信号伪距多径RMS在同类卫星间基本一致,在不同类型卫星间有一定的差异,MEO卫星的伪距多径RMS大于IGSO卫星,部分原因可能为MEO卫星观测时段中低高度角观测比例较大,导致总的伪距多径误差统计结果较差。

      2) 各导航信号中,B2a+b信号伪距多径误差最小。原因可能为B2a+b信号码速率较大,且采用AltBOC调制方式,较BPSK(binary phase shift keying)调制方式具有更优的抗多径性能[17]。而B2a+b信号伪距多径误差小于B2b和B2a信号,是由于B2a+b带宽较宽所致。

      3) 各导航信号中,B1C信号伪距多径误差最大。分析原因可能为B1C信号码速率较小。

      4) 试验卫星B1I和B3I信号伪距多径误差小于北斗二号一期同类卫星。从图 9可以看出,试验卫星B1I和B3I信号伪距多径RMS均小于北斗二号一期同类型卫星。分析原因为,北斗二号一期卫星伪距多径中存在与高度角相关的系统性误差,导致其RMS统计结果较差。

    • 本文通过北斗全球卫星导航系统试验卫星实测数据,采用CC和MP组合观测值对试验卫星各导航信号的伪距测量精度和抗多径性能进行了对比分析,结果表明:

      1) 各导航信号伪距噪声均随高度角增大而减小,对于相同频点,IGSO卫星的伪距测量精度要优于MEO卫星,且在低高度角时表现尤为明显。

      2) 对于同一卫星,所有导航信号中,B2a+b信号伪距测量精度最高,在IGSO卫星上为0.03 m,在MEO卫星上为0.07 m。B1C信号伪距测量精度最差,在IGSO卫星上为0.18 m,在MEO卫星上为0.28~0.29 m。S频段Bs频点伪距测量精度较差,仅优于B1C信号。B2b信号伪距测量精度与B3I相当,均优于B1I信号。

      3) 在各导航信号中,B2a+b信号码速率较大,采用AltBOC调制方式,且带宽较宽,具有最优的抗多径性能;B1C频点抗多径性能最差。Bs频点伪距多径存在与高度角相关的系统误差,最大能达到0.5 m。

      需要指出的是,由于所用数据仅为单测站数据,相关试验结果只能反映某类接收机的数据质量,有关北斗全球系统试验卫星导航信号数据质量的全面评估还需要更多的数据支撑。

参考文献 (18)

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