BDS-3 / GNSS数据质量和定位绩效分析外文翻译资料

 2022-08-08 14:44:33

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摘要： 自2017年11月以来，中国发射了24枚北斗3（BDS-3）导航卫星。到目前为止，中国自主研发的北斗卫星导航系统已正式进入全球服务阶段。与北斗2号卫星导航系统（BDS-2）相比，北斗3号卫星导航系统（BDS-3）的MEO卫星增加了两个新信号B1C和B2a。 原始观测数据的质量会直接影响导航和定位系统。定位精度和服务性能。本文选择了国际GNSS监测与评估系统（iGMAS）的23个跟踪站的原始182天原始观测数据，并从数据完整性率，信噪比，周跳率和多径效应四个方面分析了数据质量。比较了GLONASS和GALILEO的观测数据的质量，最后结合每个系统的点定位精度进行综合评估。结果表明，在数据完整性方面，BDS-3的数据完整性率可与GPS，GLONASS和GALILEO相比，达到80％以上。就信噪比而言，新的BDS-3卫星信号B1C和B2a的信号强度与旧信号没有太大差异。与其他系统相比，新的BDS信号的信号强度更好。就周期跳频比而言，BDS的新信号B2a的周期跳动比高于其他信号。高，优于GPS和GLONASS，相当于GALILEO的E5b信号；就多径效应而言，四个系统的每个信号的多径RMS值均在0.5 m以内，而BDS-3卫星B2a信号的多径误差略低于B1I和B3I的多径误差约为0.1 m。在伪单点定位和精确的单点方面和定位方面，BDS-3的定位精度比GPS和GALILEO略低，但优于GLONASS。 研究结果对iGMAS天文台的定位和维护，GNSS数据的处理和产品的产生，北斗GNSS接收机的开发以及北斗卫星导航系统的定位性能具有一定的参考价值。

关键字：BDS-3 B1C和B2a数据质量定位性能

1引言

作为中国自主开发的全球卫星导航系统，北斗导航卫星系统（BDS）现已发展到第三阶段[1、2]。 截至2019年11月，中国已成功发射了26颗北斗3导航卫星，包括22颗北斗3中地球轨道（MEO）卫星表1列出了BDS-3卫星的基本情况。为了提高与其他卫星导航系统的兼容性和互操作性，BDS-3将新的系统信号B1C和B2a添加到BDS-2广播的B1I和B3I信号[3]。 其中，BDS-3的B1C信号与GPS的L1信号和Galileo的E1信号兼容且可互操作，而BDS-3的B2a信号与GPS的L5信号和Galileo E5a信号兼容且可互操作[4] 。 因为GLONASS信号的频率是频率时分多址（FDMA），G1的信号频率为1602 k * 0.5625，G2的信号频率为1246 k * 0.4375，k为GLONASS的1至24颗卫星的频率数。由于空间有限，本研究将采用k值之一来处理两个频段的信号频率。 有关四个主要导航系统卫星的广播频率，请参见表2。

在GNSS定位过程中，测量仪器、周围环境、天气等原因将直接影响GNSS数据的质量，GNSS定位的可用性、可靠性和准确性在很大程度上取决于GNSS观测的数据质量[5]。因此，GNSS数据质量分析在数据处理中尤其重要。 现在，UNAVCO TEQC开发了国际公认的更好的数据质量分析软件，其优势在于功能强大且操作简单，但目前仅支持处理GPS和GLONASS卫星数据，两个系统不支持对数据的BDS-3分析质量。尽管BDS-3卫星已经投入使用，但国内外对BDS-3新卫星信号数据质量的分析较少，成军、龙等[6]通过载噪比，多径效应等，并结合单点定位和BDS的定位结果与BDS-3-2的相对定位，比较BDS的数据质量分析要比BDS-2-3数据质量的数据质量高，同时加入BDS-3卫星数据后定位精度提高；郭等人 [7]分析了这四个系统的部分数据质量，得出的结论是BDS的数据质量与GPS相等，在某些情况下优于GLONASS。本文结合iGMAS站的实际观测数据，对bds-3和4个全球导航卫星系统的实测数据进行了质量比较，并对伪距单点进行了综合性能比较和分析。定位和精确的单点定位这四个系统的结果。

2 GNSS数据质量分析指标

2.1数据完整性率

数据完整性率是指接收机接收到的实际时间测量值与理论时间测量值之比[8]。数据完整性速率可以直接反映观察者在观察期内接收到的数据的完整性，是评估数据可用性的重要指标。 数据完整性率主要受接收机的软件和硬件性能以及观测站周围环境的影响。数据完整性率的计算公式为：

其中：是单系统卫星观测数据的完整性率（％）；n是观测期内观测到的单系统卫星总数；是理论上在观测期内接收机接收到的纪元观测总数；是收到的历时观测总数[9]。

2.2信噪比

信噪比（SNR）是指载波信号的功率与接收机从卫星[7]接收的声功之比。 信噪比是衡量GNSS接收器接收到的信号的重要指标之一。 其数值也间接反映了载波相位的测距精度。信噪比的计算公式为：

其中：是噪声带宽（Hz）；k是Bolman常数，并且是1.38*10^23 J/K。因为噪声功率和信噪比与噪声带宽Bn有关，所以信噪比通常用于C/N0描述与噪声带宽Bn无关的数量[8]。信噪比通常以dBHz为单位。一般而言，信噪比越高，观测数据的质量。

2.3循环滑移率

周期差是指当卫星失锁或信号中断时，接收机整个星期内发生的整个周期跳动[11]。 周期滑移率是指接收器的理论观测值与在一定观察时间内观察到的周期滑移数之比[8]。周期滑移率是测量接收机载波相位观测质量的标准之一。周期滑动越严重，周期滑动比率之比越小，接收机的接收质量越差。循环滑移检测有很多方法。这次使用的方法是LG组合检测方法。 LG组合计算公式为：

其中：是LG组合的相位观测值；是波长；是相位观察；是频率；是与频率无关的电离层延迟效应；是整数模棱两可；代表时代之间LG组合在相位观测上的差异[12]。考虑到历元之间的电离层变化不强烈，正常情况下的变化值较小，因此当循环滑移时会发生。该循环滑移检测的基础是，当gt; [2m]时，认为发生了循环滑移。

2.4多路径错误

多径错误是指接收机从卫星广播中接收信号，同时也从电台周围环境接收一个或多个反射信号。所有信号都叠加在一起以产生延迟效果。由这种现象引起的错误称为多径错误。目前，普遍认为伪距的多径误差比载波相位的多径误差大得多，因此，本研究的重点是伪距的多径误差。对于多频信号，多径误差的计算公式为：

其中：i和j(ij)代表不同的频率点；是在频率j处的伪距多径误差和噪声之和，单位为m；是伪距观测值；和是不同频率的载波波长；和代表不同的频率；和是不同观察结果频率和相位；是模糊度项和硬件延迟项的组合，被认为是恒定的，没有周期滑动[5]。MP组合观测值可以消除与几何相关的误差，例如对流层延迟误差和电离层延迟误差，但是它们不能消除诸如相位模糊和硬件延迟之类的误差[6]。因此，通过计算多个时期的平均值并从包含该参数的时间序列中减去平均值，可以获得多径误差。多径误差通常以m为单位。值越小，多径误差越小。

3数据质量分析

3.1数据源

为了验证BDS-3新信号数据的可用性和可靠性，评估四个主要导航系统的观测数据的质量，并避免实验数据的偶然性，使用了23个GNSS跟踪站的数据 由iGMAS在全球范围内分配的观测时间用于选择，从2019年5月13日到2019年11月8日（doy132-313），总共182天连续182天的观测数据，采样间隔为30 s。 表3中显示了iGMAS的23个GNSS跟踪站的接收器制造商，图1中显示了全局分布。

3.2数据完整性率

如图2所示，在2019年的132-313天，计算23个iGMAS跟踪站中每个系统的数据完整性率的平均值，如图2所示。每个站和系统的数据完整性率可以达到80％。GALILEO系统的性能最佳，每个工作站的完整性率都可以达到90％以上；GPS和BDS-3可以保持在85％以上，而GLONASS的相对表现是平均水平。从跟踪的角度来看，阿贝亚站接收的GNSS数据的完整性率相对较低，但GPS数据信号的接收则相对稳定。从接收器类型的角度来看，CECT-54的接收器在接收数据方面具有更好的性能。总的来说，iGMAS跟踪站接收机的工作状态和观测条件良好。BDS-3的数据完整性率优于GLONASS，可与GPS和GALILEO相提并论。

3.3信噪比

图3显示了23个iGMAS跟踪站的每个系统的相应频率点的信噪比平均值。从图中可以看出，BDS-3的新信号B1C和B2a的信号强度比旧信号B1I和B3I的信号强度要好，但都高于42 dBHz。其中，B2a的信噪强度最高。更好的是，每个电台可以达到44 dBHz，G2信号也保持在42dBHz以上。GALILEO的E1，E5a和E5b信号也保持在42 dBHz以上；GPS上的L2信号与L1和L5以及其他系统信号有关。信噪比性能较差，但也达到了34 dBHz的良好阈值。总体而言，BDS-3的两个新广播信号在信噪比方面表现更好。

3.4循环滑移率

图4显示了23个iGMAS跟踪站的每个系统的相应频率点的周期滑移率的平均值。循环滑移率的参考值（o / slps）为200。值越小，循环滑移率就越严重[13]。从图4可以看出，除各个跟踪站外，大多数跟踪站观测到的四个系统对应频点的周跳率均大于200。所有BDS-3信号均在500以上。新信号B2a在周跳方面表现最佳。E5a和GALILEO的E5b信号比E1严重。 GPS的L5信号的周跳优于L1和L2。GLONASS的G1和G2信号比其他系统的信号周跳更严重。一般而言，新的BDS-3信号的性能优于其他系统周期转差。

3.5多路径错误

图5显示了23个iGMAS跟踪站的每个系统对应频率点的平均多径误差。仅从系统的角度来看，每个系统的相应多径误差在0.5 m以内。BDS-3的B2a信号的多径误差小于B1C和B1I的多径误差，这是因为BDS-2和BDS-3中的高度角度之间不再存在系统偏差。GPS的L1和L5信号的多径误差小于L2信号的多径误差。GLONASS的G1和G2表现相同，GALILEO的E5a信号小于E1和E5b信号的多径误差。一般来说，无论是哪个制造商的接收器，新的BDS-3信号的多径效果都优于其他三个系统。

4定位精度分析

4.1单点定位分析

比较了四个系统的测量数据的单点定位（SPP）计算精度。由于篇幅所限，本次仅对2019年第294天在南极中山站（准）采集的数据进行定位列出。结果，一天中的数据完整性速率，信噪比，周期滑移率和多径效应表现更好。日本东京海洋大学的RTKLIB软件用于计算四个系统的X，Y和Z误差。有关四个系统在各个方向上的计算精度，请参见表4（图6）。

4.2精确点定位分析

比较四个系统的测量数据的精确点定位（PPP）解决方案精度，并使用日本东京海洋大学的RTKLIB软件计算X，Y和Z方向上四个系统的前300个历元。误差如图7所示。计算每个系统各个方向的收敛时间。收敛基于小于10 cm的坐标偏差作为收敛条件。同时，为了确保结果的可靠性，请在收敛后检查20个时期。仅当连续20个历元的坐标偏差小于10 cm时，才认为当前历元收敛[14]。看表5给出了每个系统在每个方向上的收敛时间，表6给出了四个系统在各个方向上的计算精度RMS值。

从图7，表5和6可以看出，这四个系统可以在100个纪元内收敛。就定位精度而言，四个系统在水平方向上的精度高于在垂直方向上的精度。GPS和GALILEO具有较短的收敛时间和较高的收敛精度。与GPS相比，BDS-3仍有一定差距。Y方向的收敛时间稍长，定位精度略低，但保持在0.1 m以内。GLONASS在水平方向上会聚时间长，精度相对较低。

5结论

GNSS数据的质量决定了GNSS的服务性能。本文使用iGMAS的23个全球跟踪站的测量数据，从数据完整性，信噪比，周跳率和多径误差等方面评估BDS-3和GN

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