BDS-3新频点B1C/B2a动态数据特性及PPP精度分析

通过载噪比(CNR)、数据完整率、伪距与载波相位观测值噪声和伪距多路径效应四个指标对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)新频点B1C/B2a车载动态数据的特性进行了分析,测试了BDS-3新频点动态精密单点定位(PPP)的性能,并与其它全球卫星导航系统(GNSS)进行了对比. 试验结果表明,BDS-3新频点B2a平均CNR优于北斗卫星导航系统(BDS)其它频率,但略差于GPS L5;相较于其它GNSS,BDS数据完整率相对较高,其中BDS-3 B2a新频点数据完整率最高;BDS-3 B2b伪距观测值噪声最小,B1C和B2a伪距观测值噪声约为B2b信号的3倍,但不同频率相位观测值噪声处于同一量级;对于伪距多路径而言,BDS-3 B1C/B2a 信号略小于B2b 信号. 总体而言,GPS L5信号抑制多路径效应的能力最强. 在动态PPP性能方面,BDS-3 B1C/B2a双频组合动态PPP定位精度最优,其三维(3D)均方根(RMS)误差为0.439 m,相比BDS B1I/B3I、GPS L1/L2、GLONASS G1/G2和Galileo E1/E5a双频组合PPP,其精度改善率分别为49%、56%、81%和42%.      

北斗三号观测数据质量及定位精度初步评估

开展BDS-3观测数据质量评估对于即将到来的BDS-3应用研究至关重要。本文从载噪比、伪距多路径及观测噪声3方面评估了BDS-3卫星的观测数据质量，在此基础上分析了其标准单点定位和短基线相对定位性能。初步评估结果表明：在载噪比方面，BDS-3卫星的B1I频点比BDS-2卫星高3~4 dB/Hz，B3I频点最高，其余频点大小相当；在多路径方面，BDS-3卫星伪距B2a、B2b和B3I与BDS-2的B3I大小相当，B1I和B1C与BDS-2的B1I、B2I大小相当，且BDS-3各频点的伪距多路径组合中不存在明显的与高度角相关的伪距偏差；在观测值噪声方面，BDS-3卫星与BDS-2卫星各频点大小基本相当。相比于仅使用BDS-2卫星，增加BDS-3卫星可以改善几何图形结构，一定程度上提高伪距单点定位和短基线相对定位的精度。     

北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析

目前,北斗全球卫星导航系统有5颗试验卫星发射试验信号。试验卫星数据质量分析是北斗全球系统信号体制验证的重要内容。基于单测站北斗试验卫星观测数据,采用伪距相位差组合和伪距多径组合方法,初步分析了试验卫星民用信号以及Bs频点信号伪距测量噪声和多径误差。结果表明,倾斜同步轨道卫星伪距测量精度优于中轨道卫星;在各导航信号中,B2a+b信号伪距测量精度最高,具有最优的抗多径性能;B1C信号伪距测量精度最低,抗多径性能最差;Bs信号伪距测量精度较差,但优于B1C信号,且其伪距多径存在一个与高度角相关的系统误差,在高度角最大时可达0.5 m。     

北斗卫星伪距偏差标定及对用户定位精度影响

伪距偏差是指卫星导航信号非理想特征导致的不同技术状态接收机产生的伪距测量常数偏差。本文将伪距偏差作为一种用户段误差,提出基于并置接收机的伪距偏差计算方法和基于DCB参数的伪距偏差计算方法,以实现伪距偏差与其他误差的分离。然后利用实测数据测量了北斗卫星伪距偏差,结果表明伪距偏差标定序列波动STD约为0.1 m,不随时间明显变化,不同地点接收机测量的伪距偏差具有较好的一致性。在1.5 G频段,北斗卫星B1I频点伪距偏差最大。北斗卫星新体制信号B1C伪距偏差最小,较北斗卫星B1I频点伪距偏差明显改善,也明显好于GPS卫星L1C/A频点伪距偏差。在其他频段,GPS卫星L2C伪距偏差略大于北斗卫星B3I伪距偏差,L5C频点伪距偏差次之,B2a频点伪距偏差最小。最后,利用实测数据分析了伪距偏差对定位精度的影响。结果表明伪距偏差与卫星群延迟参数高度相关。若用户接收机与群延迟参数计算采用的接收机技术状态差异较大,用户接收机定位精度将明显恶化。     

北斗三号MEO组网卫星数据质量评估

自2017年11月以来,北斗三号导航卫星开始进入高密度组网发射阶段。截止到2018年3月,已有4颗北斗三号中圆轨道(MEO)卫星投入试运行。本文选取全球分布的7个国际GNSS监测评估系统(i GMAS)跟踪站数据,从信号载噪比、观测噪声和多路径效应3个方面,对C19、C20、C27、C28这4颗北斗三号MEO卫星数据质量进行分析评估,并与同时段观测的北斗二号MEO导航卫星、GPS Block IIF导航卫星和Galileo FOC导航卫星的观测数据进行对比。结果显示,北斗三号MEO卫星数据质量良好,性能较优。其全球各地区测站信号平均载噪比高于42 d BHz,中高纬度地区观测站信号平均载噪比能够保持在45 d BHz左右;伪距观测噪声基本在0.5米以内;各测站各频点的多路径效应RMS值均不超过0.4米。     

使用抛物面定向天线分析北斗三号星上伪距和载波测距偏差

对于全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS),观测值测距性能会影响系统基本服务能力。大口径抛物面天线能够较好地削弱地面设备和环境对信号采集的影响。基于抛物面天线数据分析北斗三号全球卫星导航系统(BeiDou-3 global navigation satellite system, BDS-3)的观测值特性和测距性能。结果显示,B1I、B3I、B1C、B2a和B2b 5个频点上均未发现与北斗二号卫星类似的相同量级卫星星上伪距偏差,部分频点伪距多路径存在波动,但与高度角的相关性不强,所有卫星测距偏差变化的平均量级为0.1 m。使用载波三频组合分析北斗三号卫星各个频率载波观测值的多路径变化和噪声水平,载波三频组合存在毫米量级的变化波动,但这种变化并未显示出与时间或者高度角的密切相关性,基于抛物面天线数据的载波三频组合均方根误差绝大部分小于0.6 mm。以上结果表明北斗三号卫星的伪距和载波观测值未出现系统性偏差,具有良好的测距性能。     

北斗三号观测数据质量分析

2020年年底北斗三号卫星导航系统将全面建设完成,北斗三号沿用了B1I和B3I两个信号,并新增B1C和B2a两个新民用信号。为分析各个信号的观测数据质量,该文选取6个境外iGMAS连续跟踪站15 d的数据对北斗三号的观测数据质量进行分析,从信噪比、伪距多路径、数据完整率、数据饱满度和数据连续性5个方面,综合对比了北斗二号和北斗三号新旧信号的数据质量,并将北斗三号与GPS和Galileo在兼容互操作频点进行对比。结果表明:北斗三号的信噪比优于北斗二号,在兼容互操作频点上也比GPS和Galileo高1～2 dB-Hz;北斗三号B1C的伪距多路径误差比GPS大10 cm左右;北斗三号的数据完整率要比Galileo高,略低于GPS;在数据饱满度和连续性方面,北斗三号优于GPS和Galileo。     

北斗多频伪距单点定位精度分析

针对北斗卫星伪距定位研究较少的现状,该文分析了北斗B1、B2和B3的伪距质量,给出了采用不同频点伪距定位时需考虑的因素,探讨了使用广播星历时北斗多频伪距单点定位的定位性能。结果表明,B3频点的伪距多路径效应和观测噪声优于B1和B2;单频定位时,各频点定位平面精度优于5m,高程精度优于10m,且B1的定位精度最高;双频定位时,B1/B2无电离层组合的定位性能略高于B1/B3,平面精度优于3m,高程精度优于5m,并且B2/B3的噪声太大,不适用于导航定位。     

BDS-3新频点单点定位研究

针对目前有关北斗卫星导航系统（BDS-3）中MEO卫星（BDS-3M）增加的B1C、B2a新频点单点定位研究较少的现状,本文开展了基于新频点B1C、B2a的双频单点定位试验,结合国际GNSS监测评估系统（iGMAS）5个跟踪站连续10 d的数据,对BDS-3的新频点进行数据质量分析、双频伪距单点定位（SPP）和双频静态精密单点定位（PPP）研究,并与GPS的L1、L2频点和BDS-3的B1I、B3I频点进行对比。试验结果表明：在伪距单点定位方面,BDS-3新信号在E、N、U 3方向的精度分别优于10、12、11 m,低于GPS的L1、L2双频伪距单点定位和BDS-3的旧频点双频伪距单点定位精度;在精密单点定位方面,BDS-3新频点在收敛速度方面略低于GPS的收敛速度,BDS-3新信号在E、N、U 3方向都能达到分米级精度。     

北斗三号系统信号质量分析及轨道精度验证

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3）的信号体制经过重新设计,提供B1I、B3I、B1C、B2a以及B2b 5个频点的公开服务信号。从伪距多路径、信噪比、无几何无电离层相位组合（geometry-free ionosphere-free phase combination, GFIFP）观测值特性等方面,对BDS-3卫星公开服务信号的观测数据质量进行分析评估。结果表明,BDS-3卫星信号的多路径噪声水平优于北斗二号系统卫星,且未发现与高度角相关的系统偏差,B1C受多路径及噪声的影响更为显著;不同信号组合的GFIFP序列都呈现出与卫星相关的周期性系统误差,峰值约为2 cm。对BDS-3卫星采用“一步法”精密定轨,分别采用B1I&B3I与B1C&B2a的双频无电离层组合,使用轨道边界不连续性以及卫星激光测距进行轨道精度检核,结果表明,在可用观测数少于B1I&B3I的情况下,B1C&B2a解算的轨道精度达到与B1I&B3I相当的水平,轨道径向的内符合精度分别为6.1 cm、6.6 cm。     

Initial assessment of the COMPASS/BeiDou-3: new-generation navigation signals

The successful launch of five new-generation experimental satellites of the China’s BeiDou Navigation Satellite System, namely BeiDou I1-S, I2-S, M1-S, M2-S, and M3-S, marks a significant step in expanding BeiDou into a navigation system with global coverage. In addition to B1I (1561.098 MHz) and B3I (1269.520 MHz) signals, the new-generation BeiDou-3 experimental satellites are also capable of transmitting several new navigation signals in space, namely B1C at 1575.42 MHz, B2a at 1176.45 MHz, and B2b at 1207.14 MHz. For the first time, we present an initial characterization and performance assessment for these new-generation BeiDou-3 satellites and their signals. The L1/L2/L5 signals from GPS Block IIF satellites, E1/E5a/E5b signals from Galileo satellites, and B1I/B2I/B3I signals from BeiDou-2 satellites are also evaluated for comparison. The characteristics of the B1C, B1I, B2a, B2b, and B3I signals are evaluated in terms of observed carrier-to-noise density ratio, pseudorange multipath and noise, triple-frequency carrier-phase ionosphere-free and geometry-free combination, and double-differenced carrier-phase and code residuals. The results demonstrate that the observational quality of the new-generation BeiDou-3 signals is comparable to that of GPS L1/L2/L5 and Galileo E1/E5a/E5b signals. However, the analysis of code multipath shows that the elevation-dependent code biases, which have been previously identified to exist in the code observations of the BeiDou-2 satellites, seem to be not obvious for all the available signals of the new-generation BeiDou-3 satellites. This will significantly benefit precise applications that resolve wide-lane ambiguity based on Hatch–Melbourne–Wübbena linear combinations and other applications such as single-frequency precise point positioning (PPP) based on the ionosphere-free code–carrier combinations. Furthermore, with regard to the triple-frequency carrier-phase ionosphere-free and geometry-free combination, it is found that different from the BeiDou-2 and GPS Block IIF satellites, no apparent bias variations could be observed in all the new-generation BeiDou-3 experimental satellites, which shows a good consistency of the new-generation BeiDou-3 signals. The absence of such triple-frequency biases simplifies the potential processing of multi-frequency PPP using observations from the new-generation BeiDou-3 satellites. Finally, the precise relative positioning results indicate that the additional observations from the new-generation BeiDou-3 satellites can improve ambiguity resolution performance with respect to BeiDou-2 only positioning, which indicates that observations from the new-generation BeiDou-3 satellites can contribute to precise relative positioning.     

北斗导航定位系统单点定位中的一种定权方法

北斗卫星导航定位系统星座复杂、不同种类卫星高度差异较大,本文将全局性非线性最小二乘算法(Bancroft算法)应用到北斗单点定位中,Bancroft算法主要依据四维空间下的一种Lorentz内积实现,将Bancroft算法中的Lorentz内积方程写成误差方程形式,推导此方程的权,得到一种新的北斗观测值定权公式。为了验证上述定权方法,基于伪距相位差值(CC组合)组合观测值分析了北斗GEO、IGSO和MEO卫星的测距信号质量,基于多路径(MP组合)组合观测值分析了多路径效应对单点定位的影响。结果表明,新算法提高了北斗单点定位精度。     

BDS卫星星内多径及其对宽巷FCB解算的影响分析

针对BDS卫星的伪距星内多径(SIMP)问题,提出和强调了在进行SIMP建模时应该采用天底角而非高度角作为自变量,这样获得的模型才能用于不同高程的接收机。收集全球分布的iGMAS和MGEX监测站数据,以天底角为自变量构建了北斗IGSO和MEO两类卫星B1、B2和B3频点的SIMP分段线性模型。利用FY3C星载北斗数据对北斗GEO、IGSO和MEO的SIMP作进一步分析。结果表明,当天底角小于7°时,GEO和IGSO卫星的SIMP非常接近,对B2频点尤其明显。这也许预示着可以将地面数据获得的IGSO卫星的SIMP模型用于GEO卫星。同时还发现在天底角小于12°(MEO)和7°(IGSO)时,所得到的SIMP估值与地面数据获得的模型有非常好的一致性。在此基础上,采用MGEX全球监测网数据进行宽巷小数周偏差(FCB)解算试验,结果表明,经过SIMP改正后,各颗卫星的星端宽巷FCB序列的重复性都有显著提高,改进幅度都超过了60%。具体的,IGSO和MEO的星端FCB重复精度小于0.05周;采用IGSO卫星的SIMP模型对GEO卫星进行改正后,C01和C02星的FCB重复精度分别达到0.023和0.068周。     

BDS-2/BDS-3的MEO卫星B3I频率数据质量对比分析

针对目前BDS-2/BDS-3数据质量情况,本文基于IGS连续跟踪站实测数据,从数据完整率、信噪比以及多路径三个方面对比分析了BDS-2/BDS-3的MEO卫星的B3I频率的数据质量。经分析发现,BDS-3新卫星的发射增加了北斗系统的服务范围,BDS-3卫星的数据完整率与信噪比要高于BDS-2,BDS-3卫星的多路径效应小于BDS-2,没有在BDS-3卫星中观测到存在于BDS-2卫星中的系统偏差。     

BDS-3多频点伪距单点定位性能研究

针对目前有关北斗三号系统伪距单点定位研究较少，未对三号系统多个频点的定位性能进行对比分析的现状，本文利用实测数据对三号系统多个频点的定位性能进行了研究，并联合BDS-2、Galileo进行了同频伪距单点定位试验，统计分析了组合定位多个频点的同频定位结果。试验结果表明：目前三号系统单独定位能力有限，不适合单独定位；BDS-3/Galileo同频组合定位可以弥补BDS-3新频点单频定位时卫星个数不足、数据不完整导致的定位精度过差的情况，同时能够提高Galileo的定位精度；BDS-2/3的B3I频点与BDS/Galileo组合的B2b频点的定位精度均与GPS的L1频点的定位精度相当。