北斗导航卫星系统的区域导航性能的初步评估外文翻译资料

北斗导航卫星系统的区域导航性能的初步评估

北斗区域卫星导航系统（BDS）又称北斗-2自2012年12月27日以来一直都在运作中。它共有14颗卫星，其中5颗卫星在地球同步轨道（GEO），5颗卫星在倾斜地球同步轨道（IGSO），以及4颗卫星在地球中轨道（MEO）。在本文中，其基本导航和定位性能是

通过在北京收集的实际数据的初步评价，包括了卫星的可见性，位置精度因子（PDOP）值，精度和载波相位测量，单点定位精度以及差分定位和歧义消解的性能，这也是足以与全球定位系统相比的。它示出的精度BDS码和载波相位测量分别为33厘米和2毫米。并满足进行单点定位的精度设计要求。通过BDS独自在开放条件下实时动态定位也是可行的，因为它的固定率和单历元双频率可靠性AR与全球定位系统相当。BDS载波相位差分定位的精度十分短接近于1厘米基线每4.2米以及3厘米每8.2公里的短基线，这是与全球定位系统在同一水平上的。对于合并BDS和全球定位系统，固定利率和单划时代的可靠性和定位精度将得到显著改善。但在这项研究中北斗/ GPS载波相位差分定位约35和20%的两个短基线测试比GPS更好。BDS码差分定位精度优于2.5米，这比GPS更为糟糕，这可能会导致BDS GEO卫星测量大码多径误差。

北斗导航卫星系统、服务区、稀释精度、码精度和载波相位测量，单点定位，差分定位，模糊度，载波相位差分定位

随着最后一颗卫星在2012年10月25日的发射，北斗区域卫星导航系统（BDS）已成功建立。它由14颗卫星组成，包括5个地球同步卫星，5个倾斜轨道同步卫星，4个中轨道卫星。北斗卫星传输信号的频率在1561.098兆赫（B1），1207.14兆赫（B2），和1268.52兆赫（B3）位于B1I和B2I之间的是民用信号，他们的芯片速率为2.046厘泊.BDS正式宣布将于2012年12月27日全面运作。

我国导航卫星系统的发展遵循“三步”策略，即“示范系统，区域系统，全球系统。中国在开始了北斗区域系统后立即成立起北斗系统。第一个地球同步轨道卫星和第一个地球中轨道卫星发射分别在2007和2009。它的实施在加速后，分别于2010年推出了五个卫星

（三个GEO两个IGSO）、2011年推出了三颗IGSO卫星以及2012年推出了六颗卫星（两个GEO，四个MEO）。BDS卫星被设计为一个能够兼容的演示系统。BDS的实施过程中，它的绩效，卫星钟，测距码，定位精度，以及可靠性得到了逐步验证。通过最近几次进行的测试不同的区域，据说BDS的性能在定位、导航方面，并具有定时（PNT）特性达到甚至超过最初的设计要求。此外，BDS的相容性研究与其他全球导航卫星的互操作性系统（GNSS）及其对全球PNT用户也已提交

在这里我们主要描述导航BDS定位性能自正式运行，包括卫星的可见性和在服务区PDOP值，码和载波相位测量的精度，单点定位精度，码和载波相位差分定位等。我们希望这些研究结果将为BDS用户提供有用的信息。在这项研究中使用的测试数据是由UB240-CORS-II BDS/GPS双系统四频采集（B1／B2 L1/ L2）接收器由北京UNICORE通信公司提供。在数据处理过程中，BDS的B1/B2和GPS的L1/L2观察被视为平等的重要性，每颗卫星的测量加权是通过它的高度来决定的。

1 能见度和BDS服务区PDOP值

真正的广播星历于2013年1月22日至29日被用来计算卫星位置时进行评估，可见卫星数（NSAT）和PDOP值。可用性（定义为NSATge; 5或PDOP lt; 6）BDS在全球和亚太地区也进行了分析。在计算过程中，截止高度设置为5°，和时间分辨率为5分钟的空间分辨率为2.5°到5°全球地区和每一度的为BDS服务区（55°S-55°N和55°–180°E）（中国卫星导航办公室，2011）。这些结果是绘制在图1-2。

图1可见卫星数（a），PDOP值（b）和BDS的可用性（NSATge;5）（c）在全球范围内。

图2可见卫星数（a），PDOP值（b）和BDS的可用（PDOP lt; 6）（c）在服务区内。

从图一到图二我们可以看出：

（1）在50°S–50°N和55°–170°E之间的地区，可见卫星数目是超过6（图2（a）），而且其PDOP值大部分是小于6的（图2（b））。说明在这些领域可以提供良好的卫星可见性以及几何结构。

（2）在中国，可见卫星的数量在7以上的（图2（a））以及PDOP值小于5的（图2（b））。其可用性（PDOP lt; 6）是优于97.5%的（图2（c））。

2 精度的代码和载波相位测量

2.1 零基线残差分析

单差（SD）的零基线测量可以消除轨道误差的影响，包括卫星钟误差、电离层、对流层延迟，和多径误差，只有当测量噪声存在时，接收机的时钟误差（以SD残差平均为接收机时钟误差）才被取消。它可以用来评估的精度的代码和载波测量。通过分束器将一个零基线接收器连接到同一天线上，在北京建立了21个基线，并在2012年8月22日收集了1小时的静态数据。已知的基线是固定的，通过得到的BDS C01 SD残差（GEO），C06（IGSO），C11（MEO），和GPS G01（MEO）残留系列的标清代码和载波相位测量绘制如图3。BDS和GPS的非差伪代码以及载波相位测量来自他们的SD残差序列的精度列于表1。

从上面的结果可以看出：

（1）出现了较低的标高，较大的代码和载波相位测量残差（图3（b）-（d））。以及卫星的代码和载波相位测量的残差（图3（a）），由于它们的高度几乎不改变。BDS C05的代码和卫星载波相位测量精度最差。因为它在北京的海拔只有16°左右。

（2）BDS B2的测量精度高于B1。代码的测量精度约为B2I 5厘米和B1I 11厘米，与载体的精度相位测量约为B2 0.3毫米和B1 0.5毫米。这可能是由于不同的信号带宽之间的B1和B2或接收器的策略码跟踪环路和锁相环导致的。

（3）GPS L1的代码和载波相位测量精度优于L2。L1的 C/A码和载波相位测量分别约为10厘米和0.5毫米，而L2的C/A码和载波相位测量的精度分别是15厘米和1毫米。

（4）上述结果表明，BDS的精度和全球定位系统的代码以及载波相位测量是有着相同的水平。

表1来自零基线SD残差精度差的码和载波相位测量

图3码和SD载波相位残差BDS C01（a），C06（b），C11（c）和GPS G01（d）基线。

2.2 短基线的残留分析

短基线的标清测量只包含其测量噪声和多径误差，并且它可以被用来评估在该领域收集的测量数据的质量。本次研究采用了一个在北京的4.2米的短基线接收器来收集BDS和GPS数据。从2012年11月19日至27日中的69662期数据中抽取了8天左右的数据进行分析 ，其截止海拔为10°。已知基线固定得到的码和载波相位测量的SD残差序列，然后对非差精密伪码和载波相位测量是从表2获取。BDS C04的 SD残差（GEO），C07（IGSO），C14（MEO），和GPS G01（MEO）绘制如图4。

我们可以从上面的结果得出结论：

（1）非差编码残差均方根值约为20–50厘米，载波相位测量值约为1–3毫米。他们是远远大于零基线的，主要原因是多径误差的影响。

（2）明显的日周期性的多径效应可以看出在GEO和IGSO卫星的SD残差，这说明他们的日常运行周期一致。

（3）BDS MEO卫星残差大于GEO和IGSO卫星，这是由于在低海拔的MEO卫星测量比重较大。对于IGSO卫星，其比例相对较小，因此IGSO卫星的精度是最好的。而对地球卫星的测量精度会随海拔的增加而提高。

（4）考虑所有BDS卫星，BDS B1I和B2I码测量精度约为33厘米，而B1和B2的载波相位测量约2毫米。

（5）GPS L1的C/A码和水平测量精度分别为43和39 cm，而L1和L2载波相位测量分别是2.5毫米和3.7毫米。

（6）上述结果表明，BDS和GPS在码和载波相位测量的现场采集精度也在同一水平。

表2 来自4.2米基线进行SD差的码和载波相位测量精度残差

图4码和载波相位残差BDS C04 SD（a）、C07（b）和C14（c）4.2米基线。

3 导航定位性能

3.1 单点定位

BDS B1I单点定位的连续监测是从2012年12月27日到2013年3月20日。采样间隔为1秒，截止高度设置为5°。采用了Klobuchar 模型修正电离层延迟误差（中国卫星导航办公室，2012），和对流层延迟的错误被修正的跳场模型。其水平、垂直、位置精度和DOP值绘制在图5。

可以看出，通过BDS B1I码测量的单点定位精度一般小于6 m（95%）在10米的水平分量和垂直分量（95%）。整体而言，定位精度小于12米（95%）。通过71 d的结果进行平均计算，我们得到了BDS HDOP，VDOP和PDOP的平均值分别是2.21，2.32，和2.93；在水平垂直的位置精度分别为4.8，7.8，和8.8米，这是优于设计规范中的10米的（中国卫星导航办公室，2012）。

3.2 编码差分定位

对编码的差分定位精度，BDS/GPS数据收集于2012年12月28日至2013年1月4日的北京期间由于电源故障中断了大约3小时。站间距离为8.2公里，总58527期与10年代使用BDS B1I和GPS L1C/A码编码的差分定位测量的精度进行了采样间隔收集。静态基线解决方案从长时间的BDS/GPS数据作为评估码差分定位精度的真正价值。代码差分定位错误如图6所示。

从图6中我们可以看到：

（1）进行编码的差分定位在北方的成分其误差都是比较大的，明显的系统误差包含在垂直分量。主要的原因是，BDS卫星主要由GEO和IGSO卫星组成。这五个地球卫星几乎是不动的，而相对于地面上的接收器他们都位于北京南部的天空。我们可以得出一个结论，GEO卫星的测量在北部和垂直分量的几何约束相对较弱。因此，在垂直分量的错误比水平分量大的多，北分量的误差比东分量的大。

（2）BDS B1I码差分定位在东、北和组件的监控系统中分别为0.71，1.14，和1.90米，而作为一个整体，3D RMS约为2.28米的GPS L1 C/A码测量的监控系统，在东、北、和组件分别为0.31，0.39，和0.81米， 3D精度约0.95米。显然，BDS码差分定位精度比GPS更糟。对于短基线、轨道误差、卫星钟差、电离层和对流层延迟误差基本消除，只有码测量噪声和多径误差保持。从明显的日周期误差的存在位置误差的事实，可以推断出大码多径误差的GEO卫星的测量结果在BDS码差分定位精度较差。

图5 BDS B1I单点定位和DOP值精度

图6 BDS B1I和GPS L1 C/A编码的差分定位位置误差（（a）BDS；（b）GPS）。

3.3 载波相位差分定位

3.3.1 单历元解模糊

在3.2节中所使用的测试数据也被用于单划时代的双频率模糊度（应力）实验。LAMBDA算法（Teunissen，1993，1995）被应用到解决实际值模糊的整数。用于验证的整周模糊度的标准值为2的比率测试。计算了不同截止高度下的单划时代中双频率的固定率和错误固定率，结果见表3和图7。固定汇率是定义为模糊度固定次数占总次数的比例，和错误的固定利率计算的数量比错误的歧义固定时代在模糊度固定次数。

图7单划时代双频率固定和错误固定率不同截止高度，实线：固定率；虚线：错误固定率。红色表明BDS；蓝色表示GPS；绿色表示BDS/GPS。

表3单划时代双频率固定和错误固定率在8.3公里的基线

从上面的结果可以看出：

（1）当截止海拔低于25°，BDS单历元固定利率是高于90%，他们也

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