Galileo中断服务前后SPP的精度对比分析

彭劲松

（湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421000）

0 引言

继美国建立全球定位系统（global positioning system,GPS）之后，俄罗斯建立了格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system,GLONASS），欧盟建立了伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system,Galileo），我国建立了北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）。这些卫星导航系统称为 4 大全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）[1-3]。

Galileo 于21 世纪初开始建设，共发射了18 颗卫星，播发E1、E5a、E5b、E5 等多频信号，为全球用户提供高精度定位服务[4-7]。Galileo 自提供服务以来，一直正常工作，但在2019 年7 月11 日，欧洲航天局（European Space Agency,ESA）宣布，自2019 年11 日1 时起，Galileo 服务中断。经过117 h10 min的诊断，Galileo 于2019 年7 月16 日19 时恢复服务[8-10]。

Galileo 作为全球重要的卫星导航定位系统之一，很多学者对其定位性能进行了分析。非组合3 频精密单点定位（precise point positioning,PPP）算法在精度以及收敛时间上较双频PPP 算法效果提升比较明显，尤其是数据异常时这种现象更为明显[11]。Galileo的数据质量优于GPS 以及BDS的数据质量，伪距单点定位水平精度与GPS 和BDS的定位结果相当，而高程精度低于GPS 和BDS的定位结果，这与卫星可见数和位置精度衰减因子（position dilution of precision,PDOP）值有关[12]。GPS/BDS/Galileo 3 系统组合伪距单点定位经平滑后收敛速度加快，定位精度提升，其中北（N）方向的定位精度提升最为明显[13]。Galileo 3 频非组合PPP定位精度较双频PPP 定位精度有明显提升[14]，静态PPP 水平和高程精度分别提升了17.8%和19.6%，动态PPP水平和高程精度分别提升了9.6%和34.0%，但收敛时间加快速度并不明显。

由于Galileo 信号中断可能对其定位性能产生影响，而当前对该研究较少，因此本文基于国际GNSS 服务组织（International GNSS Service,IGS）跟踪站连续12 d的数据，对比分析Galileo中断期间及中断服务前后，E1、E5a、E5b、E5 4 个频率的单点定位（single point positioning,SPP）精度。

1 SPP 定位模型

SPP 是当前很多基础导航领域常用的定位技术，比如车辆导航、船舶定位、航天导航等，它们都是利用单台GNSS 接收机，采用伪距观测值，获取接收机绝对位置的测量技术[15]。在进行单点定位时，通常采用单频数据进行定位，其观测方程[16]为

式中：P为伪距观测值；s为卫星序号；i为频率；r为测站序号；ρ为测站于卫星之间的几何距离；c为真空中的光速；dtr为接收机钟差；为卫星钟差；为对流层延迟；为电离层延迟；εi为伪距观测噪声。

对式（1）进行误差改正并且按照泰勒（Taylor）泰级数展开，可得[16]

2 数据处理分析

2.1 数据源

为了详细分析 Galileo中断期间及中断服务前后的定位性能，本文选取了均匀分布于全球的5 个IGS 跟踪站数据为解算数据，分别为位于中国的IFNG 站、澳大利亚的CUT0 站和KAT1 站、欧洲的POTS 站和非洲的SUTM 站，观测时间为Galileo中断期间及中断服务前后各4 d 数据，即2019 年年积日第189—200 天，共12 d 数据，采样间隔为30 s。

2.2 结果分析

利用尔特克利布（RTKLIB）软件对所选数据进行处理，以IGS 提供的坐标值作为参考值，计算得到5 个站E1、E5a、E5b、E5 4 个频率连续12 d的全天历元坐标数据，并且通过与参考坐标对比，计算得到Galileo中断期间及中断服务前后4 个频率E（东方向）、N（北方向）、U（天顶方向）3 个方向的SPP 精度。

首先计算得到年积日第189—200 天的卫星可用数平均值以及PDOP 平均值，如图1 和图2所示。

图1 Galileo中断期间及中断服务前后卫星可用数平均值

图2 Galileo中断期间及中断服务前后PDOP 平均值

由图1 可知，Galileo 系统的平均卫星可用性为6 颗，在出现故障的前1 天，即年积日第192 天，除JFNG 站卫星平均卫星可用性变为5 颗外，其他测站卫星数不变；当Galileo 恢复服务，即从年积日第197 天开始，除SUTM 站卫星数为0 外，其他测站卫星可用性颗数恢复正常；之后连续4 d的卫星可用性颗数都为6 颗。由图2 可知，在Galileo未出现故障前，平均PDOP 值为3 左右，而在出现故障的前1 天，即年积日第192 天，Galileo的平均PDOP 值突然变大，当Galileo 恢复服务后，其平均PDOP 值恢复正常，在3 左右。

进一步计算出Galileo中断前后不同测站E 方向、N 方向和U 方向的定位精度（RMS）（如图3所示）。

图3 Galileo中断期间及中断服务前后E1 频率SPP E、N、U 3 个方向的定位精度

由图可知，即年积日第189—191 天，Galileo E1 频率在东（E）方向的SPP 精度为0.6 m 左右，在N 方向的精度为0.7 m 左右，在天顶（U）方向的精度为1.7 m 左右。在Galileo的服务发生故障的前1 天，即年积日第192 天，定位精度突然变差，E 方向的定位精度降到1.5 m 左右，N 方向的定位精度降到1.8 m 左右，U 方向的定位精度降到5.2 m 左右。在Galileo的服务恢复之后第1—2 天，即年积日第197 天和年积日第198 天，定位精度仍未恢复。由于年积日第197 天刚刚恢复服务，且服务时间只有几个小时，因此定位精度非常差，E方向的定位精度为4 m 左右，N 方向的定位精度降到5 m 左右，U 方向的定位精度降到6 m 左右。年积日第198 天的定位精度略有恢复，但是仍未达到发生故障前的水平，E 方向的定位精度为1.2 m左右，N 方向的定位精度为2.2 m 左右，U 方向的定位精度为3.3 m 左右。在年积日第199 天和第200 天，定位精度恢复至发生故障前的水平，E 方向的定位精度为0.5 m 左右，N 方向的定位精度在0.7 m 左右，U 方向的定位精度在1.7 m 左右。

图4 为年积日第189—191 天5 个测站E5a 频率的平均SPP 精度情况。

图4 Galileo中断期间及中断服务前后E5a 频率SPP E、N、U 3 个方向的定位精度

由图可知：E 方向的定位精度在0.6 m 左右，N 方向的定位精度在0.8 m 左右，U 方向的定位精度在2.4 m 左右。在Galileo 服务发生故障的前1 天，即年积日第192 天，定位精度突然变差，E方向的定位精度降到1.9 m，N 方向的定位精度降到1.8 m，U 方向的定位精度降到3.6 m 左右。在Galileo 服务恢复之后第1—2 天，即年积日第197—198 天，定位精度仍未恢复。年积日第197 天由于刚刚恢复服务，且只提供几个小时的服务，因此定位精度非常差，E 方向的定位精度为6.6 m 左右，N 方向的定位精度降到6.8 m 左右，U 方向的定位精度降到8.9 m 左右。年积日第198 天，定位精度略有恢复，但是仍未达到未发生故障前的水平，E方向的定位精度为1.7 m 左右，N 方向的定位精度降到2.6 m 左右，U 方向的定位精度降到3.5 m 左右。在年积日第199 天和年积日第200 天，定位精度恢复至发生故障前的水平，E 方向的定位精度在0.7 m 左右，N 方向的定位精度在1.1 m 左右，U方向的定位精度在2 m 左右。

图5 为年积日第189—191 天E5b 频率SPP 3 个方向的定位精度。可知：E 方向的定位精度在0.5 m 左右，N 方向的精度在0.7 m 左右，U 方向的精度在2.1 m 左右。在Galileo 服务发生故障的前1 天，即年积日第192 天，定位精度突然变差，E 方向的定位精度降到2.2 m 左右，N 方向的定位精度降到 1.8 m 左右，U 方向的定位精度降到4.6 m 左右。在Galileo 服务恢复之后第1—2 天，即年积日第197—198 天，定位精度仍未恢复。年积日第197 天由于刚刚恢复服务，且只提供几个小时的服务，因此定位精度非常差，E 方向的定位精度为6.3 m 左右，N 方向的定位精度降到5.3 m左右，U 方向的定位精度降到8.3 m 左右。年积日第198 天定位精度略有恢复，但是仍未达到发生故障前的水平，E 方向的定位精度为1.9 m 左右，N 方向的定位精度降到2.4 m 左右，U 方向的定位精度降到4.1 m 左右。在年积日第199—200 天，定位精度恢复至发生故障前的水平，E 方向的定位精度在0.6 m 左右，N 方向的定位精度在0.9 m 左右，U 方向的定位精度在1.8 m 左右。

图5 Galileo中断期间及中断服务前后E5b 频率SPP E、N、U 3 个方向的定位精度

图6 为年积日第189—191 天Galileo E5 频率SPP 3 个方向的定位精度。可知：E 方向的定位精度在0.6 m 左右，N 方向的定位精度在0.8 m 左右，U 方向的定位精度在1.7 m 左右。在Galileo 服务发生故障的前1 天，即年积日第192 天，定位精度突然变差，E 方向的定位精度降到1.6 m 左右，N方向的定位精度降到1.5 m 左右，U 方向的定位精度降到4.4 m 左右。在服务恢复之后第1—2 天，即年积日第197—198 天，定位精度仍未恢复。第197 天由于刚刚恢复服务，且只提供几个小时的服务，因此定位精度非常差，E 方向的定位精度为6.9 m 左右，N 方向的定位精度降到5.3 m 左右，U 方向的定位精度降到8.1 m 左右。第198 天定位精度略有恢复，但是仍未达到发生故障前的水平，E 方向的定位精度为1.8 m 左右，N 方向的定位精度降到2.5 m 左右，U 方向的定位精度降到4.2 m左右。在第199—200 天，定位精度恢复至发生故障前的水平，E 方向的定位精度在0.6 m 左右，N方向的定位精度在0.9 m 左右，U 方向的定位精度在1.8 m 左右。

图6 Galileo中断期间及中断服务前后E5 频率SPP E、N、U 3 个方向的定位精度

3 结束语

本文基于Galileo中断期间及中断服务前后连续12 d的实测数据，对比分析了卫星可用性、PDOP值以及E1、E5a、E5b、E5 4 个频率的SPP 精度，经分析发现：

1）在故障发生前后，Galileo 平均卫星可用性颗数不变，在发生故障前后各1 天时间，PDOP 值增大，之后PDOP 值恢复至正常。

2）Galileo的4 个频率SPP 精度在出现故障前较平时变差，在系统恢复服务的第1 天，即年积日第197 天，由于只提供几个小时的服务，因此定位精度很差，不能满足一般的定位要求。在Galileo 恢复服务的第2 天，即年积日第198 天，定位精度先比年积日第197 天提高很多，但仍未达到平时的定位精度水平。在Galileo 恢复服务的第3 天，即年积日第199 天，定位精度恢复正常，达到了未发生故障时的定位精度水平；且系统恢复服务的第4 天，即年积日第200 天，仍保持正常水平。