2019, Vol. 39
2. 地理信息工程国家重点实验室，西安市雁塔路中段1号，710054
全球卫星导航系统(GNSS)近几年发展迅速，尤其以我国的北斗导航系统(BDS)和欧盟的伽利略导航系统(Galileo)为代表。基于先试验、后组网的策略，5颗北斗三号试验卫星(本文简称为“试验卫星”)于2015~2016年成功发射，已有文献对该卫星进行了分析，包括数据质量[1-2]、精密定轨[3-6]、星内多径[7-8]、姿态模型[9]等。
2017-11北斗三号卫星开始陆续发射，其在轨性能值得研究。本文基于全球iGMAS监测站观测数据，对新老信号的信噪比(SNR)、伪距多路径、噪声等进行评估，并对北斗卫星进行单系统精密定轨试验。
1 数据质量分析选取2018-01-31(年积日31)14个测站的观测数据分析北斗三号C19、C20卫星各频点的结果。信噪比可直接从观测量获取，多路径及噪声使用MP组合进行分析：在一个无周跳时段内取MP时间序列均值，每个历元MP值减去该均值可得伪距多路径；对MP时间序列取历元间差分，除以系数
选取54个CANB测站及20个HMNS测站数据，其中CANB测站接收机型号为CETC-54-GMR-4011，HMNS测站接收机型号为GNSS_GGR。对CANB测站选取二号卫星C11、C12，试验卫星C33、C34及三号卫星C19(当天C20没有发播广播星历)，分别给出单颗卫星的结果，如图 1。图 2为HMNS测站B1I、B3I频点下的信噪比、噪声及多路径随高度角变化的分段节点图，图中“C2”指北斗二号C11、C12、C14三颗MEO卫星的综合结果，“C3e”指C33、C34两颗MEO试验卫星的综合结果。表 1(单位m)为包含多种不同类型接收机的14个测站每颗卫星的噪声，并给出所有测站的均值，其中“C3”指北斗三号C19、C20两颗卫星的综合结果。综合分析图 1~2和表 1可知：
|
图 1 CANB测站北斗二号信号的SNR、噪声、多路径情况 Fig. 1 SNR, noise and multipath of BDS-2 at CANB station |
|
图 2 HMNS测站北斗二号信号的SNR、噪声、多路径情况 Fig. 2 SNR, noise and multipath of BDS-2 at HMNS station |
|
表 1 BDS老信号各测站伪距测量精度 Tab. 1 Pseudorange measuring precision of BDS old signal at different stations |
1) 在信噪比方面，B1I频点由大至小为三号卫星、试验卫星、二号卫星，B3I三号与试验卫星的信噪比相当，比二号卫星稍强；CANB测站2个频点的大小为35~50 dB/Hz，HMNS测站为40~55 dB/Hz。
2) 在噪声方面，伪距测量精度基本相当，随高度角增加噪声变小，三号卫星比二号卫星及试验卫星的精度稍高。3类卫星均出现个别分段的噪声随高度角变大的情况，多路径结果同样存在这一问题[1, 10]。
3) 在多路径方面，二号卫星C11、C12明显存在“星内多径”偏差，B1I频点下甚至达到m级；而试验卫星及三号卫星该偏差基本消失。
4) B1I频点下二号卫星、试验卫星及三号卫星伪距噪声分别为0.10 m、0.10 m、0.12 m，B3I频点则分别为0.08 m、0.08 m、0.09 m。接收机型号为CETC-54-GMR-4011、天线为GNSS-750的测站三号卫星B1I、B3I频点伪距测量精度均好于二号卫星及试验MEO卫星，但在所有类型测站的噪声均值中，三号卫星略差于二号卫星及试验卫星。在同类型接收机和天线的条件下，不同测站伪距噪声的结果基本相当。
1.2 新信号分析与比较同样选取CANB、HMNS两个测站数据，并与GPS ⅡF卫星和Galileo FOC卫星进行比较。图 3为CANB测站3类导航系统部分卫星的信噪比，图 4为噪声和多路径随高度角变化的时间序列。图 5为HMNS测站的分段节点数据，图中，G代表所有Block ⅡF类型可见卫星，共12颗；E代表所有Galileo FOC卫星，共12颗；C3e包括C33和C34。计算各测站新信号的伪距测量精度，结果见表 2(单位m)。综合分析图 3~5和表 2可以看出：
|
图 3 CANB测站GPS、Galileo和BDS部分卫星的信噪比时间序列 Fig. 3 SNR time series of GPS, Galileo and BDS at CANB station |
|
图 4 CANB测站GPS、Galileo和BDS部分卫星的噪声和多路径时间序列 Fig. 4 Noise and multipath time series of GPS, Galileo and BDS at CANB station |
|
图 5 HMNS测站GPS、Galileo和BDS部分卫星的SNR、噪声和多路径时间序列 Fig. 5 v |
|
|
表 2 B1C(L1、E1)、B2a(L5、E5a)、B2b(E5b)频点各测站伪距噪声 Tab. 2 Pseudorange noise of B1C(L1、E1)、B2a(L5、E5a)、B2b(E5b)frequency points at different stations |
1) 在信噪比方面，L1频点GPS卫星明显高于Galileo卫星和北斗卫星，约高3~4 dB/Hz，变化范围为30~50 dB/Hz；B2a频点HMNS测站试验卫星及三号卫星的信噪比相当，变化范围为40~55 dB/Hz，高于GPS卫星1~2 dB/Hz，Galileo卫星最低，而CANB测站GPS卫星最强，其他卫星相当；B2b频点Galileo卫星和试验卫星信噪比相当，变化范围为42~60 dB/Hz。
2) 在噪声方面，L1频点GPS卫星较Galileo卫星和BDS卫星小，试验卫星略小于Galileo卫星，变化范围为0.1~0.5 m；B2a频点4类卫星噪声相当，BDS卫星略优于GPS卫星和Galileo卫星，变化范围为0.02~0.2 m，在截止高度角中间部分，C19卫星噪声存在变大的情况；B2b频点试验卫星略优于Galileo卫星，变化范围为0.02~0.15 m。多路径的结果趋势与噪声类似，B1C的噪声和多径较B2a和B2b大。
3) L1频点GPS卫星、Galileo卫星、试验卫星及三号卫星的噪声分别为0.12 m、0.23 m、0.19 m、0.26 m，B2a频点的分别为0.10 m、0.07 m、0.13 m、0.15 m，B2b频点Galileo卫星为0.08 m，试验卫星及三号卫星分别为0.15 m、0.07 m。L1频点GPS卫星噪声最优，较Galileo卫星和BDS卫星优0.1 m，试验卫星(仅2个测站有观测量)较Galileo卫星更优，但三号卫星比Galileo卫星稍差。E5a频点Galileo卫星噪声最优，GPS卫星次之，再次是BDS卫星，但相差不大。B2b频点三号卫星(仅2个测站有观测量)噪声与Galileo卫星相当，试验卫星稍差。在接收机及天线均相同条件下，不同测站的噪声量级有一定差异，但各卫星类型大小关系基本一致。
2 BDS单系统定轨试验与分析选取2018-01-23~02-01共10 d的观测数据，观测量为B1I、B3I，测站分布及卫星星下点轨迹见图 6，共16个测站(表 1)，其中星下点轨迹中橙色、红色、绿色分别为二号卫星、试验卫星及三号卫星。定轨弧长为3 d，使用重叠弧段及激光检核的方法进行轨道精度评定，重叠弧段为2 d，该时间段包含二号卫星(C01~C14)、试验卫星(C31~C34)及三号卫星(C19~C20)。其中，C01、C04、C32卫星由于部分时段的不健康标识，不参与定轨；C20卫星没有广播星历，也未参与定轨。
|
图 6 BDS卫星星下点轨迹及测站分布 Fig. 6 Subsatellite point trajectory of BDS-3 and station layout |
由于测站数量较少，首先进行有/无GEO卫星的精密定轨试验，采取ECOM五参数光压模型，分别统计卫星的沿迹向(A)、法向(C)、径向(R)、三维(3D)的均方根误差(RMS)，图 7和8为2种策略下每个重叠弧段试验卫星及三号卫星的定轨结果，表 3(单位cm)给出7个弧段的均值。综合分析图 7~8和表 3可知：
|
图 7 无GEO策略4颗卫星各弧段定轨精度 Fig. 7 POD accuracy of four satellites using without GEO strategy |
|
图 8 有GEO策略4颗卫星各弧段定轨精度 Fig. 8 POD accuracy of four satellites using with GEO strategy |
|
|
表 3 各颗卫星所有弧段平均定轨精度 Tab. 3 Average POD accuracy of each satellite |
1) C19卫星各弧段精度基本相当，3D精度为20~70 cm，R方向精度为5~10 cm，与试验卫星的轨道精度相当。有、无GEO策略下C19卫星3D精度分别为36 cm、38 cm，R方向均为8 cm，定轨精度略优但基本相当。试验卫星结果类似。
2) 总体来看，无GEO策略下所有卫星总体精度在A、C、R、3D方向分别为25 cm、17 cm、5 cm、32 cm，略差于有GEO策略下的结果(24 cm、12 cm、5 cm、28 cm)，尤其是北斗二号IGSO和MEO卫星。
2.2 不同光压模型定轨策略分析由于光压模型较难进行合理建模，因此太阳光压误差是影响卫星精密定轨的重要因素之一。选取ECOM五参数、九参数模型策略，研究光压模型对北斗三号卫星的适用性。表 4(单位cm)给出试验卫星和三号卫星7个重叠弧段下各颗卫星的平均定轨结果，表 5(单位cm)按轨道类型分别统计了定轨平均精度。结合表 4~5可以看出：
|
|
表 4 不同光压模型北斗三号卫星定轨情况 Tab. 4 BDS-3 POD results with different solar radiation model strategy |
|
|
表 5 有GEO策略下3类北斗卫星平均定轨精度 Tab. 5 POD results of three types of satellites using with GEO strategy |
1) ECOM五参数光压模型定轨精度好于九参数，提升最大的是R方向，三号卫星提升至10 cm以内。C19卫星在有GEO且ECOM五参数策略下，A、C、R方向精度分别为32 cm、16 cm、8 cm。
2) IGSO、MEO卫星定轨精度ECOM五参数均优于九参数，尤其是R方向，提高超过50%；而对于GEO卫星，3D方向上的RMS五参数较九参数结果差了18 cm。其原因可能是ECOM五参数GEO卫星所估计的参数个数过少，无法对卫星太阳光压等误差项进行合理建模[11]。
2.3 SLR检核使用卫星激光观测数据对轨道作外部独立检核，目前暂未获取到三号卫星的激光数据。经过数据预处理，仅剩C10、C11卫星的SLR数据，NP个数分别为26、50。表 6(单位cm)给出3类定轨策略在10 d研究时段内的SLR残差平均值，图 9为C11卫星的SLR残差分布。由图表可知，有GEO ECOM五模型策略定轨效果最好，无GEO ECOM五模型策略次之，与前文结论一致。
|
|
表 6 3种定轨策略下卫星激光检核结果 Tab. 6 SLR validation results of three POD strategies |
|
图 9 C11卫星3种定轨策略SLR残差 Fig. 9 SLR residuals of C11 of three POD strategies |
通过选取iGMAS观测网络16个测站的BDS观测数据，对北斗三号卫星的信噪比、噪声、多路径及单系统定轨精度进行评估。选取CANB和HMNS两个测站进行分析，并对所有测站计算伪距噪声。结果表明，老信号北斗B1I和B3I频点的信噪比中三号卫星略优于二号卫星，噪声和多路径的精度相当；新信号中，将GPS的Block ⅡF卫星和Galileo的FOC卫星进行了比较，B1C/L1/E1频点下GPS卫星更优，其他情况基本相当；B1C/L1/E1的信噪比低于其他频点，伪距噪声GPS卫星在0.1 m量级，Galileo卫星和BDS卫星在0.2 m量级，B2a/L5/E5a和B2b /E5b噪声各系统均在0.1 m量级。单系统定轨精度评估中，使用16个测站的B1I/B3I观测量得到C19号卫星定轨精度在3D方向的RMS为3 dm左右，与试验卫星的精度相当。卫星精密定轨时加入GEO卫星、选取ECOM五参数光压模型可取得更优的结果，且GEO卫星建议选取更适用的其他光压模型。使用激光观测数据进行检核，得到C08、C11的SLR残差在1 dm以内，但试验卫星在该观测时段内激光数据较少，而三号卫星未获取到激光数据，未作评定。本文验证了三号卫星与试验卫星的性能基本相当，可为北斗三号卫星在轨性能的评估提供参考。
| [1] |
Zhang X H, Wu M K, Liu W K, et al. Initial Assessment of the COMPASS/Beidou-3: New-Generation Navigation Signals[J]. Journal of Geodesy, 2017, 91(10): 1 225-1 240 DOI:10.1007/s00190-017-1020-3
(  0) |
| [2] |
Yang Y X, Xu Y Y, Li J L, et al. Progress and Performance Evaluation of Beidou Global Navigation Satellite System: Data Analysis Based on BDS-3 Demonstration System[J]. Science China Earth Sciences, 2018, 61(5): 614-624 DOI:10.1007/s11430-017-9186-9
( 0) |
| [3] |
Tan B F, Yuan Y B, Wen M Y, et al. Initial Results of the Precise Orbit Determination for the New-Generation Beidou Satellites (Beidou-3) Based on the iGMAS Network[J]. ISPRS International Journal of Geo-Information, 2016, 5(11): 196 DOI:10.3390/ijgi5110196
( 0) |
| [4] |
Xie X, Geng T, Zhao Q L, et al. Performance of BDS-3: Measurement Quality Analysis, Precise Orbit and Clock Determination[J]. Sensors, 2017, 17(6): 1 233 DOI:10.3390/s17061233
( 0) |
| [5] |
Zhao Q L, Wang C, Guo J, et al. Precise Orbit and Clock Determination for Beidou-3 Experimental Satellites with Yaw Attitude Analysis[J]. GPS Solutions, 2018, 22(1): 4 DOI:10.1007/s10291-017-0673-y
( 0) |
| [6] |
Li X X, Yuan Y Q, Zhu Y T, et al. Precise Orbit Determination for BDS-3 Experimental Satellites Using iGMAS and MGEX Tracking Networks[J]. Journal of Geodesy, 2019, 93(1): 103-117 DOI:10.1007/s00190-018-1144-0
( 0) |
| [7] |
Zhang X H, Li X, Lu C X, et al. A Comprehensive Analysis of Satellite-Induced Code Bias for BDS-3 Satellites and Signals[J]. Advances in Space Research, 2019, 63(9): 2 822-2 835 DOI:10.1016/j.asr.2017.11.031
( 0) |
| [8] |
Zhou R Y, Hu Z G, Zhao Q L, et al. Elevation-Dependent Pseudorange Variation Characteristics Analysis for the New-Generation Beidou Satellite Navigation System[J]. GPS Solutions, 2018, 22(3): 60 DOI:10.1007/s10291-018-0726-x
( 0) |
| [9] |
Wang C, Guo J, Zhao Q L, et al. Solar Radiation Pressure Models for Beidou-3 I2-S Satellite: Comparison and Augmentation[J]. Remote Sensing, 2018, 10(1): 118 DOI:10.3390/rs10010118
( 0) |
| [10] |
Montenbruck O, Hauschild A, Steigenberger P, et al. Initial Assessment of the COMPASS/Beidou-2 Regional Navigation Satellite System[J]. GPS Solutions, 2013, 17(2): 211-222 DOI:10.1007/s10291-012-0272-x
( 0) |
| [11] |
Zhao Q L, Guo J, Li M, et al. Initial Results of Precise Orbit and Clock Determination for COMPASS Navigation Satellite System[J]. Journal of Geodesy, 2013, 87(5): 475-486 DOI:10.1007/s00190-013-0622-7
( 0) |
2. Kexue Road, Zhengzhou 450001, China 2 State Key Laboratory of Geo-Information Engineering, 1 Mid-Yanta Road, Xi'an 710054, China