北斗三号与北斗二号卫星信号对比分析

天津七一二通信广播股份有限公司 吕琳 韩明 张建军 吕自鹏

随着北斗三号卫星导航系统全面建成并提供全球服务，对北斗二号和北斗三号卫星信号质量的对比分析研究至关重要。本文采集相同测试环境下的北斗二号与北斗三号卫星观测数据，针对B1、B3、B1c、B2a频点从卫星数、天球路径图、可用率、仰角分布等方面完成分析与评估。结果表明，与BDS-2相比，BDS-3星座更加完善，数据可用率均在95%以上，信号质量较好。分析结果为北斗三号在工程应用中提供参考依据。

目前由我国建成的独立自主、开放兼容的北斗三号全球卫星导航系统正式开通，为全球提供服务。北斗全球卫星导航系统空间段由若干地球同步轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和中圆地球轨道卫星（MEO）三种轨道卫星组成混合导航星座。北斗二号基本星座采取5GEO+5IGSO+4MEO的形式；北斗三号采取3GEO+3IGSO+24MEO的星座构成，并将视情部署在轨备份卫星，卫星与卫星之间具备通信能力，可以在没有地面站支持的情况下自主运行。北斗三号卫星组网从区域走向全球，而且在载荷、星间链路、激光通信等方面也有进步，北斗三号增加了卫星搜救功能和全球位置报告功能等[1]。

北斗二号在B1、B2和B3三个频段提供B1I、B2I和B3I三个公开服务信号。北斗三号新增B1c、B2a、B2b（精密星历），保留北斗二号B1I、B3I，B2I被B2a取代，提供B1I、B3I、B1c、B2a和B2b五个公开服务信号，其中B1c和B2a信号在北斗三号MEO卫星和IGSO卫星上播发[2-3]。

为了充分分析北斗二号和北斗三号卫星的信号数据质量，本文在同一时间，同一地点，同一测试环境下采集了监测站24小时的数据，从卫星数、天球路径图、可用率、仰角分布等方面进行了充分的对比分析，为系统全面利用北斗三号卫星导航信号提供技术参考和依据。

图1(a) BDS-2卫星数量监测统计图Fig.1 (a) Statistical map of BDS-2 satellite number monitoring

图1(b) BDS-3卫星数量监测统计图Fig.1(b) Statistical map of BDS-3 satellite number monitoring

1 卫星数

北斗二号共发射20颗卫星，北斗三号共发射35颗卫星。通过数据分析监测站跟踪的卫星数，如图1所示，BDS-2号可跟踪到的卫星数量为10～16颗；北斗三号提供服务后，BDS-3可跟踪到的卫星数量明显增多，为18～26颗。一天内BDS-2卫星数平均在12颗左右，BDS-3卫星数平均在22颗左右，数量翻倍。图中x轴为观测时间，y轴为跟踪的卫星个数。

2 卫星天球路径图

如图2所示，从可用卫星的天球路径图可以看出[4]，与北斗二号卫星导航系统相比，随着北斗三号轨道运行可用卫星数目增多，星座更完善，卫星全球网已经建成，已为全球提供服务。x轴为卫星方位角、y轴为卫星高度角。

3 可用率及仰角分布

数据可用率是指参与计算卫星总历元数与观测到的总历元数之比[5]。如图3和表1所示，评估了BDS-2和BDS-3卫星信号观测值（伪距、载波相位、多普勒、信号强度）的观测卫星数、可用率及卫星仰角分布情况。

表1 卫星信号观测值、可用率Tab.1 Satellite signal observation value and availability

B1、B3频点可观测卫星数比B1c、B2a频点可观测卫星数稍多，如图3(a)所示。

图3(a) 观测频点及卫星数Fig.3 (a) Frequency points and number of satellites observed

从北斗系统数据可用率上看，B1、B3，B1c和B2a可用率均达到90%以上，B1c可用率最高，B2a比B1、B3可用率稍低，如图3(b)所示。

图3(b) 可用率Fig.3(b) Availability

从卫星仰角分布上看，北斗卫星导航系统大部分卫星仰角分布在20°～70°之间，如图3(c)所示。

图3(c) 卫星仰角分布Fig.3(c) Elevation distribution of satellite

4 结论

图2(a) BDS-2 卫星天球路径图Fig.2 (a) Celestial path map of BDS-2 satellite

图2(b) BDS-3 卫星天球路径图Fig.2 (b) Celestial path map of BDS-3 satellite

北斗卫星信号质量是影响服务质量的关键因素，是系统运行性能的体现，本文通过采集北斗二号和北斗三号的实际观测数据，从卫星数、天球路径图、可用率、仰角分布等方面进行了分析，结果表明：

（1）BDS-3比BDS-2可视观测卫星数增多，星座更加完善，可有效改善卫星星座几何构型；

（2）数据可用率，B1、B3，B1c和B2a可用率均达到90%以上，B1c可用率最高，B2a比B1、B3可用率稍低，可用率低可能与接收机硬件设备和测试环境有关，观测数据不够稳定；

（3）BDS-3与BDS-2仰角分布基本一致，大部分卫星分布在20°～70°之间；BDS-3与BDS-2 B1、B3、B1c和B2a频点载噪比均在40dB-Hz以上，信号质量较好。

引用

[1] 杨元喜,许扬胤,李金龙,等.北斗三号系统进展及性能预测:试验验证数据分析[J].中国科学:地球科学,2018,48(5):584-594.

[2] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1C(1.0 版)[S].2017.

[3] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B2a(1.0 版)[S].2017.

[4] 刘季.北斗GEO卫星轨道算法研究[J].测绘地理信息,2012,37(5):33-36.

[5] 陈良,耿长江,周泉.iGMAS GNSS采集设备数据质量比较分析[C]//第六届中国卫星导航学术年会论文集—S06北斗/GNSS测试评估技术,2015:60-63.