北斗观测数据质量及动态PPP性能分析

何聪聪，王中元，张坦

( 中国矿业大学环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116 )

0 引言

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是我国独立自主的卫星导航系统，具备为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务能力. 2020年7月31日，中国正式对外宣布北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)建成并开通，标志着北斗“三步走”发展战略圆满完成. 如今BDS已成为国家重要时空基础设施，在国民经济、国土安全、交通运输、农林渔业、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾等方面扮演着重要角色[1-3]. BDS的建立吸引着国内外学者对其进行不断研究. 李涌涛等[4]对BDS-3新信号B1C和B2a观测数据质量进行了分析评估. Yang等[5]对BDS基本性能进行了细致的研究. Li等[6]对亚太区域的多系统卫星数据质量以及精密单点定位(precise point positioning，PPP)性能进行了研究，分析了不同卫星导航系统性能间的差异，上述研究都是针对同一区域内的卫星导航系统的性能进行研究，为了更好的评估BDS的性能，本文选取了9个位于不同区域多GNSS实验 (Multi-GNSS Experiment，MGEX)测站，以GPS为参考，从卫星可见性、多路径误差、数据完整率及信噪比 (signal-to-noise ratio，SNR)、PPP精度等多方面对BDS的性能以及不同区域内的性能差异进行分析.

1 北斗数据质量分析

本文选取了2022年年积日(day of year，DOY)为28的9个MGEX测站的观测数据，测站的具体信息及分布分别如表1和图1所示，这些测站分布在亚洲、欧洲、美洲区域内，每个区域各分布三个测站，这些测站均可以正常接收BDS、GPS的多频信号. 本文以卫星的可见性、SNR及伪距多路径误差等数据作为重要指标，评估BDS的观测数据质量以及不同区域内的性能差异，为了更好地评估BDS的观测数据质量，本文还加入了GPS作为参考对象.

图1 MGEX测站分布图

表1 测站信息

1.1 卫星可见性及数据完整率

图2 和图3分别为BDS和GPS在2022年DOY为28的卫星运行轨迹图以及9个测站一天内观测到的BDS、GPS卫星数量分布图(卫星截止高度角为0°). 在运行轨迹图中，蓝色表示BDS的运行轨迹，橙色表示GPS在一天内的运行轨迹. 由图2和图3可知，在全球范围内，GPS的运行轨迹分布比较均匀，而BDS得益于多种轨道类型的卫星以及更多的卫星数量，其卫星轨迹的密度明显高于GPS卫星的轨迹密度，且在亚太区域内，BDS的运行轨迹明显比其他区域的运行轨迹密集. 从图3中9个MEGX测站的卫星观测数量还可以看出BDS的卫星观测数量明显多于GPS的卫星观测数量，其中BDS的卫星观测数量可以达到15～25颗，而GPS的卫星观测数量通常约为12颗. 并且BDS的卫星观测数量具有明显的区域特征. 首先亚洲区域可观测卫星数量最多可达20～25颗，其次欧洲区域约为15颗，最后美洲区域约为10颗，而GPS的卫星观测数量并没有类似的趋势，在全球范围内的卫星观测数量具有较高的一致性，与卫星的运行轨迹图统一. 数据完整率通常是指接收机观测到卫星的实际历元数据量与理论历元数据量的比值. 数据完整率越高，说明接收机观测到的卫星数据越完整，数据质量越好. 本文所选取的9个MEGX测站中， BDS和GPS两种卫星导航系统的数据完整率均为100%，数据质量在不同区域内没有明显差异，数据质量良好.

图2 BDS和GPS运行轨迹图

图3 MEGX测站卫星观测数量时序图

1.2 SNR

SNR是指信号的强度与噪声的强度之比. 通常SNR越高，表明信号越强，噪声越小，数据质量越好[7].SNR受观测环境及接收机跟踪捕获信号能力的影响，能够反映测距信号的水平. 图4为DYNG、GAMG、YEL2三个MEGX测站的部分卫星的不同频率信号的SNR随高度角变化的关系图. 其中DYNG测站位于欧洲区域，BDS选取的卫星为C12、C28，GPS选取的卫星为G04，如图4中的第一行所示；GAMG测站位于亚洲区域，为了有足够的观测数据，BDS选取的卫星为C12、C36，GPS选取的卫星为G14，如图4中的第二行所示；YEL2测站位于美洲区域，卫星的选取与DYNG测站相同，如图4的第三行所示，上述选取的C12、C14为BDS-2的卫星，C28、C36为BDS-3卫星，均为中圆地球轨道(medium earth orbit，MEO)卫星.

图4 各测站SNR随高度角变化趋势

由图4可知，不同卫星、不同频率信号的SNR与卫星高度角呈正比关系，随着高度角的增大，SNR也会有明显的提升. 三个位于不同区域内的MEGX测站，同一卫星不同频率信号的SNR呈现出了相同的趋势，在BDS-2三种频率的信号中，B1I频点的SNR明显低于B2I、B3I频点的SNR；BDS-3五种频率中B1C的SNR最小，B3I的SNR最大，其余频率的SNR相差不大；GPS的三种频点的SNR中，GPS的L5频点的SNR明显好于L1、L2频点的SNR. 为了更好地分析不同区域间的差异，本文统计了上述三个测站不同卫星不同频点SNR的平均值，如表2所示. 表2中BDS-2、BDS-3、GPS指代的是进行统计的导航卫星系统的类型，具体指代卫星与上文相同，由表2可知，SNR信息在不同区域内的MEGX测站中展现了相同的趋势，其中，BDS-2中B1I频点的SNR的平均值相比B2I、B3I频点低3～4 dB，在BDS-3中B1C频点SNR的平均值最低为45 dB，相比于B3I频点低3 dB，而其他频点的SNR平均值相差不大，GPS不同频点的SNR平均值中L1、L2频点相比L5频点低4～5 dB. 从这些SNR平均值的信息中可以看出BDS-3的信号强度整体是要略优于BDS-2、GPS的，BDS在不同区域内SNR强度虽略有区别，但并没有明显的差异.

表2 各测站不同频点SNR平均值 dB

1.3 伪距多路径效应

伪距多路径效应是指非直达导航信号引入的测距误差，该误差是在 GNSS 接收机周围环境复杂时，会导致进行在GNSS观测时，接收机不仅接收到来自卫星的信号，还会接收到周围物体反射的卫星信号，这种现象叫做多路径效应[7-8]. 伪距多路径效应越小，说明接收机观测到的卫星数据越精确，数据质量越好. 伪距多径是观测数据质量评估的重要指标，其性能直接影响到导航定位服务的性能. 图5为三个位于不同区域内的MEGX 测站的伪距多路径误差随高度角的变化图. BDS-2以卫星C12为例，BDS-3以卫星为C32为例，均为MEO卫星. 为了更好地评估BDS的卫星观测数据质量，本文分别比较了不同测站内同一卫星、同一频点的伪距多路径误差，如图5第一行所示；同一测站内不同卫星、同一频点的伪距多路径误差，如图5第二行所示；以及同一测站内同一卫星、不同频点的伪距多路径误差，如图5第三行所示.由图5可知，伪距多径误差和卫星高度角之间存在相反的关系，伪距多路径误差越大，卫星高度角越小，反之亦然. 从不同测站的比较中还可以看出，位于不同区域内的三个MEGX测站DYNG、GAMG、YEL2的同一卫星，同一频点的伪距多路径误差随高度角变化的趋势并没有明显的差异，均随着高度角的增大，伪距多路径误差在减小，但在BDS-2中B1I频点的多路径误差随着高度角的增大并没趋于稳定，而是逐渐发散.

图5 多路径误差随高度角变化趋势

在BDS-2和BDS-3相同频点的伪距多路径误差比较中，位于不同区域内的测站的伪距多路径误差随高度角变化的趋势与伪距多路径误差的发散程度保持了一致，且BDS-3的同频点的伪距多路径误差明显小于BDS-2同频点的伪距多路径误差，BDS-3的B1I频点也没有出现BDS-2的B1I频点的伪距多路径误差随卫星高度角发散的现象. 在BDS-3不同频点的伪距多路径误差比较中，三个不同区域内的测站比较结果并无显著差异，但BDS-3不同频点的伪距多路径误差具有较为明显差异，在本文选取的三个BDS-3频点中，B2a、B2b频点的伪距多路径误差明显小于B1I频点的伪距多路径误差.

2 北斗动态PPP性能

PPP是一种高精度的卫星定位技术，其利用一台GNSS接收机的载波相位和测码伪距观测值，采用高精度的卫星轨道和钟差产品，并通过模型改正或参数估计的方法精细考虑与卫星端、信号传播路径及接收机端有关误差对定位的影响，实现高精度定位的一种方法[9-10]. PPP 模糊度固定(PPP ambiguity resolution，PPP-AR)解决了PPP浮点解精度低等缺点，随着GNSS分析中心先后开始发布相关产品，使得用户获取 PPP-AR得以实现. 多实验表明，PPP-AR可以提高定位精度、缩短收敛时间[11-13]. 本文中，模糊度固定过程为先计算星间单差宽巷模糊度估值，然后通过取整法固定星间单差宽巷模糊度，其次通过星间单差浮点模糊度和星间单差宽巷模糊度得到星间单差窄巷模糊度估值，最后通过取整法固定星间单差窄巷模糊度，从而求得各历元固定解. 为了研究不同区域内BDS的定位性能，本文选择了9个MGEX测站进行仿动态PPP和PPP-AR实验，所选取的数据观测间隔为30 s，观测日期与测站分布信息同上，精密产品均由武汉大学分析中心提供.

图6为9个MEGX测站PPP和PPP-AR定位结果在E、N、U三个方向上的定位精度，C表示BDS，包含BDS-2和BDS-3，G表示仅GPS，GC表示BDS+GPS. 由图6可知，BDS和GPS的定位结果均达到了厘米级的精度，且两种定位解算结果中E、N方向上的定位精度明显优于U方向上定位精，其中E、N方向上大部分测站的定位精度在1 cm以内，U方向的精度大部分在2 cm以内. 在三种系统组合中，除去部分测站外，两种定位解算结果的定位精度均为BDS+GPS的系统组合的定位精度最优，GPS次之，BDS的定位精度最低，多系统对于提高定位精度具有显著的效果. 表3统计了不同区域内多个MEGX测站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，虽然BDS的卫星可见数量在亚洲区域内明显多于其他区域，但定位精度相比于其他区域并没有明显优势. 在水平方向上，亚洲区域的定位精度低于其他区域；而在垂直方向上，亚洲区域的定位精度则要优于其他区域. 在划分的三个区域内，除了部分区域内的PPP的定位精度BDS略优于GPS外，大多数解算情况下GPS的定位精度均要优于BDS的定位精度，尤其在U方向上精度差距最高达到了34%.

图6 9个MEGX测站定位解算精度

表3 不同区域平均定位精度

从模糊度固定率可以看出，BDS在亚洲区域内的模糊度固定率优于其他区域，且略优于GPS；而GPS的模糊度固定率在不同区域并没有显著差异，保持了较好的一致性，其中在美洲和欧洲区域GPS的模糊度固定率优于BDS. 通过比较PPP和PPPAR的定位精度可以看出，不同区域内，模糊度固定解算对于提升BDS的定位精度的作用并不明显，在本文所选取的测站中，只有在美洲和欧洲区域内，E方向上的定位精度有约16%的提升，相较而言模糊度固定解算对于提升GPS的定位精度的作用则比较明显，在不同方向上的精度均有一定提升，其中，E方向提升约18%，N方向提升约20%，U方向提升约5%.

3 结束语

本文选取了三个不同区域内共9个 MGEX 跟踪站的观测数据，从卫星可见性、伪距多路径误差、数据完整率、SNR以及PPP精度五个方面对BDS的数据观测质量以及定位精度进行对比分析，结果表明：

1)在数据质量方面，BDS的卫星可见数量，运行轨迹密度具有明显的区域特征，其中亚洲区域明显优于其他区域，数据完整性、SNR、伪距多路径误差在不同区域间并没有明显差异. BDS整体的数据质量达到了与GPS相当的水平，尤其BDS-3在SNR强度上要略优于GPS，且BDS-3在SNR强度，伪距多路径误差等数据质量方面明显优于BDS-2，BDS不同频点间的数据质量也有明显的差异，BDS-2中 B1I、BDS-3中B1C 频点的数据质量明显弱于其他频点的数据质量.

2)在定位精度方面，GPS与BDS的动态PPP定位性能均达到的较高的精度，但BDS PPP和PPP-AR的定位精度是要低于GPS，且多系统对于提高定位精度具有较为明显的作用. BDS在不同区域间定位精度并没有明显的区域性差异，在本文所选取的测站中，PPP-AR对于提升BDS定位精度的作用并不明显.