2019, Vol. 39
自2005年第一颗Block ⅡR-M卫星发射以来，L2C信号便引起GNSS科研工作者的关注。由于当时具备L2C信号发射能力的卫星数量有限，国内外相关研究大多集中于L2C信号多径抑制能力、观测噪声等信号质量的评估[1-2]及GPS接收机对L2C信号的快速捕获算法等方面，少有研究直接在位置域探讨L2C信号用于精密单点定位(PPP)[3]的精度改善情况。PPP数据处理一般使用P1/L2P无电离层组合观测值，但由于AS政策的存在，P(Y)码结构保密，接收机一般只能采用无码或半无码技术获取对应的伪距和载波观测值，但此类技术会放大观测值中包含的噪声，降低信号质量。L2C作为民用信号，其结构公开，用户可以直接获取其伪距观测值，且可以通过码相关技术重建质量更佳的L2载波。而PPP主要使用精度更高的载波观测值，这意味着以L2C观测值替代L2P观测值进行数据处理有望提高PPP的定位质量和精度。
截至2016年，在轨运行的有7颗Block ⅡR-M卫星和12颗Block ⅡF卫星具备播发L2C信号的能力，已初步实现独立的定位能力。本文使用2016年年积日1~7 IGS网中27个具备L2C信号跟踪能力测站的高频数据，比较P1/L2C和P1/L2P无电离层组合观测值分别用于PPP所得的动态定位结果，并从时域、频域及信号连续性3个角度分别探讨L2C信号对PPP定位精度提升的效果及原因。
1 实验数据选取IGS(international GNSS service) MGEX(multi-GNSS experiment)网中27个具备L2C信号跟踪能力的测站(图 1)，实验数据为2016年年积日1~7的GPS双频观测值，采样间隔为1 s。MGEX网的观测文件均为RINEX 3格式，这是为了严格区分L2C信号和L2P信号对应的载波观测值。目前，尽管主流的RINEX 2格式观测值文件也可以包含L2C信号的伪距观测值(观测值类型为C2)，但L2载波观测值不依据载波重建时所基于的信号区分L2C和L2P，而RINEX 3格式的观测值文件中载波相位观测值均严格按照信号类型进行区分，满足本文的实验需求。
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图 1 本文所使用的全球测站分布 Fig. 1 Station distribution on a global scale |
此外，因为L2C信号是由CM码和CL码通过时分复用的方式组合而成的，根据接收机跟踪L2C信号测距码的不同，L2C信号在RINEX 3观测值文件中有3种类型的伪距观测值：C2X(Mixed)、C2L(Long)及C2S(Moderate)。相应地，L2C对应的载波相位观测值类型有L2X、L2L和L2S。鉴于测距码的码长越长，其相关性越好，抗干扰能力越强，本文在数据处理时优先采用属性为X的混合码观测值，其次采用CL码观测值，最后采用CM码观测值。
2 PPP解算策略为研究L2C信号用于PPP对定位精度的改善情况，对27个测站连续7 d的高频数据分别使用P1/L2C和P1/L2P无电离层组合进行PPP动态解算。2组解除了使用的观测值类型不同外，参数和相关改正模型设置均保持一致(表 1)。通过比较2组解的定位结果，分析使用L2C信号替代L2P信号用于PPP数据处理的精度和可靠性改善情况等。
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表 1 PPP数据处理的参数设置 Tab. 1 Parameter settings in PPP |
PPP高精度的定位结果很大程度上依赖于精密卫星轨道和精密钟差产品。需要注意的是，IGS发布的精密钟差产品采用P1/L2P无电离层组合进行估计，若用户端亦采用P1/L2P无电离层组合进行PPP数据处理，则与钟差产品是互洽的。但由于L2C和L2P信号对应的卫星端硬件延迟不相同，两者的伪距观测值之间存在一个较为稳定的码间偏差(differential code bias，DCB)[4]，若用户端使用P1/L2C无电离层组合，且直接使用IGS发布的钟差产品，则会影响到最终定位精度。对此，本文采用CODE每月发布的DCB产品对L2C信号伪距观测值进行改正，以消除P1/L2C组合观测值和IGS钟差产品间不兼容的问题。
尽管目前在轨运行的GPS卫星中有7颗Block ⅡR-M卫星和12颗Block ⅡF卫星能播发L2C信号，但若仅使用这19颗卫星进行PPP数据处理，个别历元的可视卫星数只有4、5颗，卫星的几何构型较差，相应的定位结果将出现异常。为解决该问题，数据处理过程中仍然使用另外12颗不具备L2C信号发射能力的Block ⅡR卫星的P1/L2P无电离层组合观测值，且经过实验测试，在最小二乘解算过程中，将上述卫星的观测值权重设定为其余19颗卫星P1/L2C无电离层组合观测值权重的1%，既能有效减少个别历元定位异常的情况，又能保证L2C信号对PPP定位结果的主要贡献。
3 实验结果和分析 3.1 时域分析本文选取27个IGS测站连续7 d的1 Hz高频数据，分别使用P1/L2C和P1/L2P无电离层组合进行PPP动态解算，各获得189个动态定位结果。为对比2种类型的解在时域的差异，将测站当天的静态解作为该站点的坐标参考真值，分别计算P1/L2C和P1/L2P对应的PPP动态定位结果与参考真值之间的定位误差，并统计两者对应的189个定位结果在E、N、U 3个方向均方根误差(root mean square error，RMSE)的平均值(表 2)。
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表 2 PPP定位结果RMSE比对 Tab. 2 RMSE of PPP results |
从表 2可以看出，采用P1/L2C和P1/L2P对应的PPP动态定位精度十分接近，在E、N、U 3个方向仅有0.12 cm、0.12 cm和0.19 cm的差异，均处于mm级。鉴于L2C信号的绝对定位精度提升并不显著，计算L2C信号相对于L2P信号的相对精度提升百分比发现，L2C信号较L2P信号在E和N方向均有7.4%的提升，在U方向则提高了4.4%。因此，采用L2C信号有助于提高PPP的定位精度，但提升效果并不理想。
国外对于L2C信号质量的研究也发现，在卫星高度角大于10°时，L2C信号的PPP定位残差与L2P信号没有明显差异[2]，即从观测值域看，此时L2C和L2P信号的观测值噪声十分接近。而本文数据处理时设置的截止高度角即为10°，也印证了依靠L2C信号观测值质量的优势在位置域提升定位精度的局限性。
3.2 频域分析为进一步探求L2C信号对PPP的作用，本文对P1/L2C和P1/L2P各自对应的189个动态定位结果采用Welch算法计算功率谱密度(power spectrum density，PSD)[5]，分别将得到的189个PSD在相同频率上进行叠加，计算平均值，最终获得P1/L2C和P1/L2P的平均PSD(图 2)，并综合分析P1/L2C和P1/L2P的定位结果在频域的信号分布情况。
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图 2 P1/L2C和P1/L2P的PSD结果比对 Fig. 2 Comparison between the PSDs of P1/L2C and P1/L2P results of PPP |
图 2显示，P1/L2C和P1/L2P的平均PSD结果在0.01~0.000 02 Hz频谱范围内无明显差异，两者在E、N、U 3个方向大致重合。在此频段，PPP的定位结果主要受卫星轨道、卫星钟差、对流层、地球潮汐及多路径等误差的影响[6]，而2组实验使用的是相同的精密轨道和精密钟差产品，对流层误差采取相同的改正策略，地球潮汐亦使用相同的改正模型，故在低频段两者PSD结果的一致性符合实验的设定。
在PSD的0.001~0.1 Hz这一频段，多路径误差占主导作用[6]，而图 2显示，在此区间内P1/L2C的PSD结果亦与P1/L2P相近，这表明，L2C信号受多路径的影响与L2P信号相当。但在0.1~0.5 Hz的频谱范围内，P1/L2C的PSD明显高于P1/L2P，且P1/L2C的PSD曲线近似平行于横轴，这是典型的白噪声频谱特征。由于这2组解在PPP数据处理时其余设定完全相同，该高频噪声只能来自L2C观测值本身，但根据L2C信号质量的相关研究[1-2]，这一高频噪声应该不是源自卫星端，推测是受接收机制造厂商提供的用于捕获L2C信号的固件影响。频域的分析结果主要揭示了P1/L2C和P1/L2P组合观测值各自所含噪声的细微差异，P1/L2C在高频部分噪声高于P1/L2P的现象似乎与时域的统计结果相悖，但这其实是因为RMSE只反映了定位精度的整体平均情况。
3.3 信号连续性分析考虑到L2C信号相对于L2P信号的一大优势是其特殊的调制方式带来的信号跟踪上的稳定性，由此推测，L2C信号观测值的连续性将有助于提高PPP的定位质量。本文直接使用原始的观测值文件分析信号跟踪的连续性与卫星高度角之间的关系。图 3(L2P信号对应的弧段向上偏移了1°，以便和L2C信号对应的弧段进行区分)展示了AIRA站跟踪G09卫星的局部情况，可以发现，在卫星高度角小于15°时，L2C信号的连续性优于L2P信号。这一现象验证L2C信号由于其特殊的调制方式而具备更加稳健的跟踪性能。
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图 3 2016年年积日001 AIRA站对G09卫星的部分观测弧段 Fig. 3 Observation continuity of L2P and L2C signals at station AIRA for satellite G09 on DOY 001 of the year 2016 |
在进行PPP数据处理时设定的截止高度角为10°，故L2C信号较L2P信号会有更多的低高度角观测值。但考虑到这些观测值对应的观测弧段连续性较差，而短观测弧段模糊度参数一般难以估计，在数据预处理时大部分将被剔除，未被剔除的低高度角观测值在数据处理时会进行降权处理。故低高度角观测值并不是造成P1/L2C组合定位结果优于P1/L2P的主要原因。
如图 3所示，AIRA站在当天15：00前后对G09卫星信号的跟踪较为连续，但在红色虚线矩形框对应的时间段内仍发生了信号失锁，这是因为，一般在当地时间15：00前后电离层处于较为活跃状态，且随着卫星高度角的减小更加容易导致GNSS信号失锁[7]。在该时段内，AIRA站对G09卫星L2P信号的跟踪发生了2次失锁，而对L2C信号只有1次失锁。L2P信号的2次失锁相隔较近，中间较短的观测弧段对应的模糊度很难收敛至准确的值。尽管L2C信号也发生了1次失锁，但其前半段弧段对应的观测值数量更多，有助于增强平差解算时法方程的结构，得到的模糊度参数将更加准确，从而有助于提高最终的定位精度。
卫星高度角较低或电离层异常等情况是较为普遍的，此时卫星信号在传播路径上受大气干扰较大，信号更容易失锁。对于PPP数据处理而言，这将导致相应卫星的模糊度参数重置。在电离层异常时期，倘若卫星的模糊度参数频繁地进行重置，那么短观测弧段对应的模糊度参数很难收敛到正确的值，这将严重降低PPP的定位精度。在这些情况下，L2C信号更为稳健的跟踪性能对于PPP模糊度参数的解算具有重要作用[8]。
4 结语本文研究使用L2C信号替代传统的L2P信号组成双频无电离层组合进行PPP数据处理的精度改善情况。对2016年年积日1~7 IGS全球27个站的高频数据进行PPP处理，统计结果显示，P1/L2C无电离层组合的RMSE值较P1/L2P组合在N和E方向均有7.4%的改善，而在U方向改进了4.4%，定位精度略有提升。频谱分析结果表明，L2C信号观测值包含的多路径误差和L2P信号相近，而在高频部分，L2C信号观测值的噪声略高于L2P信号，且呈白噪声特性，推测是接收机内用于捕获L2C信号的相应固件所致。
L2C信号由CL码和CM码采用时分复用的方式调制而成，这一特殊的信号结构有助于在恶劣环境下接收机对L2C信号的连续跟踪。在卫星低高度角或电离层活跃时，L2C信号的观测弧段相对于L2P信号有更好的连续性，有助于PPP数据处理时模糊度参数的解算，从而有助于提高最终定位结果的精度。
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