BDS-3不同类型卫星对BDS-2伪距定位性能提升定量分析

2020-11-18和成强

全球定位系统 2020年5期

和成强

(昆明理工大学,云南昆明 650093)

0 引言

根据我国北斗卫星导航系统(BDS)的建设步骤,目前进入第三阶段即北斗三号(BDS-3)的建设阶段,已经建设完成的北斗二号(BDS-2)能向亚太地区用户提供连续稳定的定位服务[1-3]．正在建设的BDS-3完成了核心星座的部署,其星座类型与BDS-2一致,由地球静止轨道(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和中圆轨道(MEO)卫星组成,截至2020年7月,BDS-3发射了24颗MEO卫星、3颗IGSO卫星和3颗GEO,完成了BDS-3完整星座的建设[4-6]．BDS-3卫星频率在保留了BDS-2卫星B1I和B3I频率之外,还增加了B1C和B2a两个新频率,新频率的增加保证了与其他导航系统频率的兼容性[7-9]．随着BDS-3的不断完善,BDS定位方式将会更加多样,其中伪距单点定位算法发展比较成熟,被广泛应用于普通导航等领域,而BDS-3新卫星的加入将会有效提升BDS伪距单点定位精度[10-11]．自BDS-3建设以来,多名学者分析了BDS-2/BDS-3数据质量以及定位性能,金俭俭等[12]分析了GPS与BDS-2、BDS-3融合数据短基线解算精度,发现基于5 km短基线,BDS-2/BDS-3组合短基线定位精度在E、N、U三个方向相比于BDS-2、GPS有明显的提升,对BDS-2短基线定位精度的提升大于GPS,GPS、BDS-2、BDS-3融合短基线相对定位精度在三个方向都优于5 mm;方欣颀等[13]分析了BDS-2/BDS-3伪距单点定位精度,发现BDS-3卫星空间几何结构优于BDS-2,伪距单点定位精度相比于BDS-2对应方向也有明显的提升,而BDS-2/BDS-3组合伪距单点定位精度相比于BDS-2、BDS-3有明显提升,且有效削弱了BDS-2伪距单点定位精度地理边缘效应;张昆仑等[14]分析了BDS-3卫星对BDS全球定位性能的提升,发现BDS-3的卫星可见数优于BDS-2,PDOP值和定位噪声要小于BDS-2,且能向全球用户提供服务,BDS-2/BDS-3组合定位精度能满足全球绝大部分用户要求;刘凡等[15]评估了BDS-2与BDS-3卫星空间信号精度,发现BDS-2的IGSO与MEO轨道精度优于GEO,BDS-3卫星轨道精度相比于BDS-2轨道精度有明显提升．

为进一步分析BDS-3不同轨道卫星星座对BDS-2伪距单点定位精度的提升,本文基于iGMAS机构发布的BDS-2/BDS-3实测数据,分析了BDS-3系统GEO、IGSO、MEO三种类型卫星对BDS-2系统B1I、B3I、B1I/B3I三种情况伪距单点定位性能的提升．

1 伪距单点定位

一般伪距观测方程表示如下:

(1)

设近似坐标为(X0,Y0,Z0),得到坐标改正值(δx,δy,δz),计算得到接收机坐标为:

(2)

采用双频无电离层组合模型进行双频伪距单点定位,模型如下:

Pmn=amnPm+bmnPn,

(3)

(4)

式中:m,n为频率编号;Pm和Pn表示第m频率、第n频率对应的伪距观测值;fm,fn表示第m频率、第n频率对应的频率值;amn,bmn表示第m频率、第n频率对应的无电离层组合系数．

2 实验分析

2.1 数据处理策略

选取了iGMAS机构发布的2020年4月2日DWIN站观测数据,数据采样频率为30 s,接收机类型为CETC-54-GMR-4011,天线类型为GNSS-750,能同时接收到BDS-2/BDS-3多频观测数据,能接收到的BDS-2、BDS-3不同轨道卫星数与频率如表1所示．在进行数据处理时,采用四种方案进行数据处理,第一种方案是在BDS-2卫星数据的基础上加入BDS-3的GEO卫星；第二种方案是在BDS-2卫星数据的基础上加入BDS-3的IGSO卫星；第三种方案是在BDS-2卫星数据的基础上加入BDS-3的MEO卫星；第四种方案是在BDS-2卫星数据的基础上加入全部BDS-3卫星．基于以上四种处理方案,分析BDS-3不同类型卫星对BDS-2卫星可见数以及卫星空间几何分布结构提升情况,对BDS-2卫星B1I、B3I单频以及B1I/B3I双频组合伪距单点定位精度的影响．

表1 DWIN站BDS-2/BDS-3卫星数以及频率情况

2.2 BDS-3对卫星可用性的提升

BDS卫星可见数与位置精度因子(PDOP)是影响BDS定位精度的主要因素之一,在分析BDS-3不同类型卫星对BDS-2卫星可见数与PDOP值影响时,主要分析对卫星可见数与PDOP值的平均值影响，如图1、2所示．

图1 BDS-3卫星对BDS-2卫星可见数的提升图2 BDS-3卫星对BDS-2 PDOP值的提升

图中B2表示BDS-2,B3表示BDS-3,G表示GEO,I表示IGSO,M表示MEO,以下图中符号表示相同．

通过图1可以发现,加入BDS-3 GEO卫星、BDS-3 IGSO卫星、BDS-3 MEO卫星、全部BDS-3卫星使BDS-2平均卫星可见数增加呈递增趋势,加入BDS-3 GEO卫星使BDS-2平均卫星可见数增加1颗,加入BDS-3 IGSO卫星使BDS-2平均卫星可见数增加2颗,加入BDS-3 MEO卫星使BDS-2平均卫星可见数增加7颗,加入全部BDS-3卫星使BDS-2平均卫星可见数增加11颗．通过图2可以发现,加入BDS-3 GEO卫星、BDS-3 IGSO卫星、BDS-3 MEO卫星、全部BDS-3卫星使BDS-2平均PDOP值减少呈递增趋势,加入BDS-3 GEO卫星使BDS-2平均PDOP值减少0.06,加入BDS-3 IGSO卫星使BDS-2平均PDOP值减少0.15,加入BDS-3 MEO卫星使BDS-2平均PDOP值减少0.94,加入全部BDS-3卫星使BDS-2平均PDOP值减少1.03,表明加入的BDS-3卫星可见数越多,改善BDS-2卫星空间几何分布结构越明显．

2.3 对BDS-2单频伪距单点定位精度提升

在分析BDS-3不同类型卫星对BDS-2单频伪距单点定位精度提升时,为保证频率的一致性与兼容性,只分析BDS-3不同类型卫星对BDS-2卫星B1I频率与B3I频率伪距单点定位精度的提升，如图3所示．

(a)E方向 (b)N方向 (c)U方向图3 BDS-3不同类型卫星对BDS-2 B1I频率伪距单点定位精度提升

通过图3可以发现,BDS-3 GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星、全部BDS-3卫星使BDS-2卫星B1I频率伪距单点定位精度有一定的提升,对E方向、N方向、U方向三个方向伪距单点定位精度提升呈递增趋势,且BDS-2/BDS-3组合B1I伪距单点定位E方向定位精度优于0.5 m,N方向定位精度优于1 m,U方向定位精度优于3 m．BDS-3 GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星、全部BDS-3卫星对BDS-2 B1I频率伪距单点定位E方向的提升分别为1.3%、13.3%、32.9%、43.7%,对N方向的提升分别为1.1%、10.1%、18.8%、29.1%,对U方向的提升分别为1.5%、3.7%、8.9%、13.2%．综上发现,BDS-3 GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星对BDS-2 B1I频率伪距单点定位精度三个方向的定量提升之和与全部BDS-3卫星对BDS-2定位精度的提升相当．

如图4所示,BDS-3不同类型卫星对BDS-2 B3I伪距单点定位精度提升趋势表示与B1I相同,且BDS-2/BDS-3伪距单点定位水平精度与B1I频率相当,高程方向低于B1I,E方向定位精度优于0.5 m,N方向定位精度优于1 m,,U方向定位精度优于4 m．BDS-3 GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星、全部BDS-3卫星对BDS-2 B1I频率伪距单点定位E方向的提升分别为6.9%、18.0%、23.6%、45.8%,对N方向的提升分别为4.3%、6.1%、12.2%、23.5%,对U方向的提升分别为1.8%、3.6%、9.0%、14.9%．综上发现,BDS-3 GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星对BDS-2 B3I频率伪距单点定位精度三个方向的定量提升之和与全部BDS-3卫星对BDS-2定位精度的提升相当．

2.4 对BDS-2双频伪距单点定位精度提升

根据BDS-3不同类型对BDS-2单频伪距单点定位精度分析,对于双频组合定位,只分析BDS-3不同类型对BDS-2 B1I/B3I组合伪距单点定位精度的提升．

(a)E方向 (b)N方向 (c)U方向图4 BDS-3不同类型卫星对BDS-2 B3I频率伪距单点定位精度提升

如图5所示,BDS-3不同类型卫星对BDS-2 B3I伪距单点定位精度提升趋势表示与B1I、B3I相同,且定位精度要优于B1I、B3I单频伪距单点定位精度,水平方向定位精度在0.4 m左右,高程方向定位精度优于1 m．BDS-3 GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星、全部BDS-3卫星对BDS-2 B1I频率伪距单点定位E方向的提升分别为5.6%、17.9%、31.5%、50.6%,对N方向的提升分别为1.2%、20.9%、27.9%、48.8%,对U方向的提升分别为1.3%、13.3%、29.5%、43.7%．综上发现,BDS-3 GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星对BDS-2 B1I/B3I频率伪距单点定位精度三个方向的定量提升之和与全部BDS-3卫星对BDS-2定位精度的提升相当．