综述 | 郭树人, 蔡洪亮, 孟轶男, 等：北斗三号导航定位技术体制与服务性能

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本文内容来源于《测绘学报》2019年第7期，审图号GS（2020）5551号。

北斗三号导航定位技术体制与服务性能

引文格式：郭树人, 蔡洪亮, 孟轶男, 等. 北斗三号导航定位技术体制与服务性能[J]. 测绘学报，2019，48(7)：810-821. DOI: 10.11947/j.AGCS.2019.20190091.

郭树人¹, 蔡洪亮¹, 孟轶男¹, 耿长江², 贾小林³, 毛悦³, 耿涛⁴, 饶永南⁵, 张慧君⁵, 谢新⁴     

1. 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094; 
2. 中国卫星导航系统管理办公室测试评估研究中心, 北京 100094; 
3. 西安测绘研究所, 陕西 西安 710054; 
4. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心, 湖北 武汉 430079; 
5. 中国科学院国家授时中心, 陕西 西安 710600

收稿日期：2019-03-15；修回日期：2019-04-29

第一作者简介：郭树人(1972-), 男, 研究员, 研究方向为卫星导航系统总体设计、评估与应用

通信作者：蔡洪亮, 

E-mail: [e-mail]

摘要：介绍了北斗三号系统的星座设计、服务类型、导航信号体制、时空基准以及轨道确定与时间同步机制等技术体制，分析提出了评估北斗三号导航定位服务性能的指标体系，指标涵盖时空基准、空间信号质量、空间信号精度和服务性能4个方面，综合利用全球数据资源对北斗三号基本系统的导航定位服务性能进行了评估。结果显示，各信号分量有效功率比偏差优于0.25 dB，S曲线过零点偏差（SCB）优于0.3 ns，满足设计要求；北斗三号基本系统当前全球位置精度因子（PDOP）可用性优于85.0%，空间信号测距误差0.48 m（RMS），空间信号连续性99.99%，空间信号可用性99.78%，UTC偏差误差优于19.1 ns（95%），均满足系统服务性能规范承诺的指标。相对于北斗二号而言，北斗三号在覆盖能力、空间信号精度、空间信号可用性、空间信号连续性等方面均有显著提升。

关键词：北斗三号    技术体制    服务性能    评估    

BDS-3 RNSS technical characteristics and service performance

GUO Shuren¹, CAI Hongliang¹, MENG Yinan¹, GENG Changjiang², JIA Xiaolin³, MAO Yue³, GENG Tao⁴, RAO Yongnan⁵, ZHANG Huijun⁵, XIE Xin⁴     

1. Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology, Beijing 100094, China;
2. Test and Assessment Research Center of China Satellite Navigation Office, Beijing 100094, China;
3. Xi'an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi'an 710054, China;
4. GNSS Research Center of Wuhan University, Wuhan 430079;
5. National Timing Service Center, China Academy of Science, Xi'an 710600, China

First author: GUO Shuren(1972—), male, research fellow, majors in design, assessment and application of GNSS.

Corresponding author: CAI Hongliang, E-mail: [e-mail].

Abstract: A detailed description of BDS-3 including constellation design, different types of services, signal structure, coordinate and time frame, mechanics of orbit determination and time synchronous is provided. A RNSS service performance assessment parameters list is provided. It consists of parameters about time and coordinate frame, signal quality, signal in space accuracy and service performance. Tracking data is collected from stations globally distributed, and performance of BDS-3 initial service is assessed. From results, ratio bias of signal component effective power is less than 0.25 dB, S curve bias is less than 0.3 ns, position dilution of precision (PDOP) availability of current constellation is better than 85% at global level, signal-in-space ranging error is 0.48 m(RMS), signal-in-space availability reached 99.78%, signal-in-space continuity reached 99.99%, UTC offset error is 19.1 ns. All of them fulfill the design specification and requirements of BDS open service performance standard. Compared to BDS-2 satellites, current BDS-3 constellation realized global coverage and achieved a better performance in signal-in-space error, signal-in-space availability and signal-in-space continuity.

Key words: BDS-3    technical characteristics    service performance    assessment    

北斗三号系统是中国自主建设的全球卫星导航系统。在北斗一号和北斗二号基础上，北斗三号目标是实现全球覆盖、达到更优的性能，并一体化实现导航定位与星基增强、卫星通信功能，并一体化实现导航定位、短报文通信、星基增强、精密定位信息播发、国际搜救等功能。于2016年开始发射5颗试验卫星，对系统方案和技术体制开展试验验证。2017年11月发射首颗组网卫星，2018年12月27日完成基本系统(18颗中地球轨道(MEO)卫星完成组网)建设并开通初始服务，计划于2020年底完成全系统建设。目前，北斗三号与尚在提供服务的北斗二号(截止成稿时，北斗二号正式服务卫星有15颗，有些已经超寿服役)一起，为全球用户提供性能优异的导航、测速、授时服务，后续随着北斗二号卫星逐渐退役，北斗三号星座不断完善，将实现北斗二号向北斗三号系统的过渡。

自2012年北斗二号正式提供服务以来，国内外已经有大量学者开展了系统性能的评估^[1-7]，评估内容涵盖覆盖能力、空间信号精度、卫星钟性能、定位精度等，评估结果证明北斗二号在亚太地区具备良好的服务性能。北斗三号试验卫星发射后，文献[8]对试验卫星的卫星钟、星间链路、时间同步和定轨性能及部分服务性能进行了评估，并预测了北斗三号系统的定位、导航与授时表现。北斗三号自首颗卫星发射起笔者所在单位就系统地组织开展了测试评估工作，基于此在北斗三号基本系统开通运行的同时发布了北斗三号与北斗二号联合服务的服务性能规范^[9]。目前，已有学者对北斗三号技术体制进行了介绍^[10]，并对卫星的空间信号精度、电离层模型精度等开展初步评估工作^[10-11]，相对而言，本文的对技术体制的特点描述更为详细，评估工作数据更新，指标范围更广，时间段更长，可以较为全面的展示北斗三号基本系统的各项性能，为全球用户提供参考。

近年来，随着中国北斗导航系统、欧盟导航系统的发展，卫星导航系统的服务性能评估技术成为比较活跃的研究领域^[12]，中国发起了国际GNSS监测评估系统(iGMAS)计划^[13]，国际GNSS服务组织(IGS)也启动了类似的试验项目，但相应技术尚未形成国际标准，国际卫星导航系统委员会(ICG)各卫星导航系统供应商发布的服务性能规范^[9, 14-15]仍然是最为全面、准确的技术参考。本文详细介绍了北斗三号技术体制特征，在北斗公开服务性能规范的指标体系基础上，增加部分北斗三号系统层面指标，利用系统开通以来的数据对系统性能进行评估，旨在全面、深层次的展示北斗三号基本系统各项性能。需要指出的是，北斗三号提供多种类型的服务，本文中北斗三号服务性能评估的对象是导航定位服务，北斗三号的运行状态是基本系统服务状态，星座规模为18颗MEO卫星。

1 系统技术体制1.1 星座设计

北斗三号星座设计由30颗卫星构成，包括24颗MEO卫星、3颗地球同步轨道(GEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星。其中，MEO构型设计为Walker星座，参数为24/3/1，轨道高度21 528 km，轨道倾角55°；GEO卫星轨道高度35 786 km，3颗卫星分别定点在东经80°、110.5°和140°；IGSO卫星轨道高度35 786 km，轨道倾角55°，星下点轨迹与赤道交点地理经度为东经118°，3颗卫星相位差120°。星座构型如图 1。

图 1 北斗三号星座Fig. 1 Constellation of BDS-3

图选项

这一设计与其他GNSS系统有明显不同，体现了北斗特色，一是在全球覆盖基础上更加重视亚太地区性能；二是兼容北斗二号各类服务，确保平稳过渡；三是实现星基增强、卫星通信等功能与导航定位服务的融合。

1.2 服务类型

北斗三号实现了导航定位与通信和增强服务的融合设计，在导航定位之外还提供了星基增强、精密定位信息播发、区域短报文通信、全球短报文通信和国际搜救共6类服务^[10]。其中，导航定位、全球短报文、国际搜救3类服务覆盖全球，星基增强、区域短报文通信和精密定位信息播发服务3类服务覆盖中国及周边地区。星基增强服务将遵循国际民航组织标准，为中国及周边地区用户提供I类精密进近完好性及精度增强服务。国际搜救服务将遵循国际海事组织相关标准，为全球用户提供免费遇险报警服务。详细的服务规划见表 1。

表 1 北斗三号系统服务规划Tab. 1 Services of BDS-3

服务类型	播发频点	提供服务的卫星类型	覆盖范围
导航定位	公开	B1I、B3I	GEO、IGSO、MEO	全球
B1C、B2a、B2b	IGSO、MEO
授权	B3A、B3Q	GEO、IGSO、MEO
B1A	IGSO、MEO
星基增强	公开 授权	SBAS-B1C、SBAS-B2a SBAS-B1A	GEO	我国及周边
精密定位信息播发	公开	PPP-B2b	GEO	我国及周边
区域短报文通信	公开 授权	L(上行)、S(下行)	GEO	我国及周边
全球短报文通信	公开	L(上行)、B2b(下行)	上行：MEO(14个) 下行：IGSO、MEO	全球
国际搜救	公开	UHF(上行)、B2b(下行)	上行：MEO(6个) 下行：IGSO、MEO	全球

表选项

1.3 导航定位服务信号

北斗三号向下兼容北斗二号B1I、B3I信号，并增加了B1C、B2a(兼容GPSL1/L5, Galileo E1/E5a)两个新信号，共提供4个频点的公开导航信号^[16-20]。B1C、B2a两种新信号带宽更宽、测距精度更高、互操作性能更好，普遍增加了导频通道以调高弱信号接收灵敏度，采用多进制LDPC信道编码提升弱信号解调性能(表 2)。B1C、B2a还调制了新的导航电文B-CNAV1和B-CNAV2，采用了新的轨道参数及基于球谐函数的全球电离层模型BDGIM，轨道描述精度和电离层改正精度比北斗二号都有显著提升^[11]。

表 2 北斗三号公开服务信号体制Tab. 2 Signal characteristics of BDS-3 open service

频带	信号分量	中心频率/MHz	调制方式	信息速率/bps	兼容互操作
B1	B1C_data	1 575.42	BOC(1, 1)	50	GPS L1
B1C_pilot	QMBOC(6, 1, 4/33)	0	Galileo E1
B1I	1 561.098	BPSK(2)	50(MEO/IGSO)，500(GEO)	—
B2	B2a_data	1 176.45	QPSK(10)	100	GPS L5
B2a_pilot	0	Galileo E5a
B2b_I	1 207.14	QPSK(10)	500	Galileo E5b
B2b_Q	500
B3	B3I	1 268.52	BPSK(10)	50(MEO/IGSO)，500(GEO)	—

表选项

1.4 空间、时间基准

在空间基准方面，北斗三号采用了全新的北斗坐标系(BDCS)，该坐标系的定义符合国际地球自转服务组织(IERS)规范^[10]，与国际地球参考框架(ITRF)差异在4.0 cm左右，并根据站速度至少1年对框架基准站点坐标进行更新。在时间基准方面，仍然采用北斗时(BDT)作为系统时间基准，通过地面控制段的综合原子时来维持，溯源到UTC(NTSC)，BDT与UTC的偏差将在导航电文中播发，BDT设计指标为准确度3.0×10^-14，万秒稳1.0×10^-14，天稳3.0×10^-15。

1.5 轨道确定与时间同步

北斗三号系统综合利用地面监测站与星间链路观测数据实现整个星座所有卫星的轨道确定与时间同步。北斗三号地面跟踪网共有40余个跟踪站，均位于中国境内，这些跟踪站部分用于卫星轨道确定与时间同步，部分用作完好性监测。北斗三号利用星间的测距功能实现卫星全球弧段的轨道确定和时间同步，利用星间通信功能实现电文的实时更新与星上载荷的控制，是系统最具特色的创新设计，不但解决了地面监测站、注入站均在国内无法实现全球弧段精密轨道确定、导航电文及时更新以及星上载荷实时控制的难题，还极大地提升了系统在无地面站支持情况下的自主运行能力^[21-22]。

此外，北斗三号卫星均配置了新型星载原子钟，包括新型铷钟和氢钟，设计指标较北斗二号均有提升，新型铷钟天稳设计指标2.0×10^-14，氢钟天稳设计指标为7.0×10^-15。

2 服务性能评估2.1 评估指标体系

尽管北斗、GPS和Galileo系统供应商均发布了自己的服务性能规范，但由于相互之间指标体系存在一些差异，目前尚未形成卫星导航系统服务性能指标体系的国际标准。鉴于卫星导航系统在当前的应用场景和应用模式种类较多，用户得到的定位、测速、授时性能不仅跟时间与空间基准性能、星座覆盖能力(反映在PDOP)、导航信号质量(反映在影响测量的信号特征、导航电文性能等)有关^[23]，还很大程度上依赖用户所处的环境(反映在多径、电离层延迟、对流层延迟等方面)、设备(反映在测量精度、可靠性等方面)、应用模式(反映在使用伪距或载波进行单点定位、差分定位等)等因素，要实现一个满足所有用户群体的卫星导航服务性能指标体系存在巨大挑战。

笔者认为，卫星导航系统服务性能评估指标体系应当聚焦于空间与时间基准、星座覆盖、导航信号性能等核心指标，对于用户端的定位、测速、授时性能，因为受到众多因素影响，需要说明特定的观测条件。本文根据这一思想制定了北斗三号的服务性能规范。需要说明的是，这一指标体系是不断发展的，部分指标会随着测试条件的逐步成熟成为北斗三号服务性能指标体系以及相关国际标准的一部分，这其中包括完好性和坐标框架性能、测速性能甚至基于载波相位的差分定位性能等。

为了深入分析北斗三号基本系统的性能，本文所用的指标体系不限于系统服务性能规范的范畴，对于当前研究比较深入的精度指标，这里作了进一步分解，以便更清晰地给出各项指标达到当前水平的关键因素。对于可用性、连续性指标尚未有成熟的分解方法，未对其进一步分解。此外，对于关系系统核心设计的空间信号质量等也进行评估，最终形成的评估指标体系见表 3。

表 3 评估指标Tab. 3 Parameters list of assessment

序号	指标类型	指标名称	一级分解指标	二级分解指标	指标要求
1	空间、时间基准	UTC偏差精度(UTCOE)			≤20.0 ns
2	卫星信号	功率性能			—
3	质量	S曲线过零点偏差(SCB)			—
4		空间信号测距误差(SISRE)	播轨道精度、广播钟差精度	星间测距精度、卫星钟性能	≤0.6 m
5		空间信号测距率误差(SISRRE)			≤0.006 m/s
6	空间信号精度	空间信号测距二阶变化率误差(SISRAE)			≤0.002 m/s2
7		空间信号可用性			≥98.0%
8		空间信号连续性			≥99.8%/h
9		位置精度因子(PDOP)可用性			≥85.0%
10		定位精度	用户等效测距误差(UERE)、PDOP	SISRE、电离层模型精度	≤10.0 m(PDOP≤6)
11	服务性能	测速精度			—
12		授时精度			≤20 ns
13		定位可用性			≥85.0%

表选项

2.2 数据来源

本文用于评估北斗三号服务性能的数据来源于iGMAS和IGS的多GNSS试验网(MGEX)^[25]。iGMAS已经建设了25个全球跟踪站，以及数据中心、分析中心，常态化生成高精度轨道、钟差、电离层等产品。

iGMAS站均具备跟踪北斗三号B1I、B3I、B1C和B2a共4个公开服务信号的能力，MGEX部分跟踪站具备北斗三号B1I、B3I信号的跟踪能力，各跟踪站的设备均为测量型高精度接收机，观测精度伪距优于0.2 m，载波相位优于0.01周，可以满足开展北斗三号服务性能评估的条件，见图 2、表 4。

图 2 跟踪站分布Fig. 2 Distribution of tracking stations

图选项

表 4 跟踪站设备类型Tab. 4 Receivers of tracking stations

系统	接收机类型	跟踪能力
iGMAS	Unicore UR4b0 CETC-54 GMR CETC-20 GNSS-GGR	BDS/GPS/GLONASS/Galileo
MGEX	Trimble NetR9 Leica GR25 Javad TRE-G3TH Delta	BDS/GPS/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS BDS/GPS/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS BDS/GPS/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS

表选项

此外，iGMAS还建有GNSS空间信号质量评估系统，配置有40.0 m口径高增益天线(图 3)及相应的数据采集与导航信号分析模块，本文的导航信号质量评估数据均来源于本系统。

图 3 40 m口径高增益天线Fig. 3 High-gain antenna with 40 m aperture

图选项

为了获取用于评估空间信号测距误差的精密星历，共使用了2018年12月27日至2019年2月14日期间iGMAS系统25个站、MGEX系统54个站观测数据及北斗三号星间测距数据，利用PANDA软件^[26]进行北斗三号基本系统卫星精密轨道和钟差确定。

利用激光观测数据(数据来源于国内中国科学院激光台站和国际激光测距组织)对上述轨道进行了外符合精度检验，结果显示精密轨道径向精度优于7.0 cm(RMS)(表 5)。通过激光比较广播星历轨道的精度在径向10.0 cm(RMS)量级，证明上述精密轨道具备检核广播星历轨道的条件。

表 5 激光检核精密轨道结果Tab. 5 Accuracy by comparing with laser ranging data

PRN编号	标准点数	MEAN/cm	STD/cm	RMS/cm
20	185	-1.39	5.93	6.07
21	235	2.12	6.51	6.84
29	230	-4.24	4.20	5.96
30	203	-4.74	4.05	6.23

表选项

精密钟差拟合残差整体在0.3 ns左右，广播钟差精度在1.0 ns量级(图 4)，认为上述方法求得的精密钟差也具备检核广播钟差的条件。

图 4 精密钟差拟合残差Fig. 4 Residual of fitting precise clock offset

图选项

2.3 评估结果

本文的评估时段均在2018年12月27日之后，不同评估项目数据覆盖时段不完全一致，评估时段内北斗三号系统星座构成为18颗MEO卫星，1颗GEO卫星，其中18颗MEO卫星均已正式提供服务，GEO卫星仍处于在轨测试阶段，未正式提供服务。

2.3.1 UTCOE

利用UTC(中国科学院国家授时中心，NTSC)与BDT的时差比对数据以及卫星导航电文中播发的UTC偏差参数信息，评估UTCOE精度，数据覆盖时段为2018年12月27日至2019年1月31日。将UTC(NTSC)-BDT结果等间隔采样后与系统播发的UTC偏差作差，结果如图 5所示。

图 5 UTCOE精度Fig. 5 Accuracy of UTCOE

图选项

结果显示，北斗三号UTCOE在评估期间精度为19.1 ns(95%，绝对值)，满足≤20.0 ns的指标要求。

2.3.2 信号功率特性

利用40 m口径大天线系统，采用2018年12月27日至2018年2月11日监测数据，对北斗三号基本系统下行信号质量进行评估，结果见表 6、表 7。

表 6 相关损耗与地面接收功率Tab. 6 Correlation loss and ground receiving power

信号分量	B1C	B1I	B2a	B2b	B3I
相关损耗/dB	均值	-0.26	-0.39	0.05	0.05	0.44
标准差	0.10	0.04	0.01	0.02	0.03
地面接收功率/dBW	均值	-155.04	-156.02	-153.14	-153.83	-155.49
标准差	0.62	0.61	0.95	0.78	0.71

表选项

表 7 信号分量有效功率比偏差Tab. 7 Ratio bias of signal component effective power

信号分量	B1Cd	B1Cp	B1I	B2ad	B2ap	B2b_I	B2b_Q	B3I
有效功率比偏差/dB	均值	-0.04	-0.10	-0.09	-0.06	-0.04	-0.19	-0.03	-0.09
标准差	0.15	0.10	0.12	0.23	0.15	0.20	0.17	0.11

表选项

从标准差统计可见，除B1C信号分量为0.1 dB外，其他信号的相关损耗标准差均小于0.05 dB；有效功率比偏差小于0.25 dB。

2.3.3 SCB

作为影响测距性能的重要指标，S曲线过零点偏差(SCB)的评估结果如图 6所示。

图 6 北斗三号基本系统卫星信号SCB值Fig. 6 SCB value of BDS-3 satellites

图选项

图 6中可以看到，所有卫星各信号分量SCB值均小于0.3 ns，均值小于0.1 ns，标准差小于0.06 ns，在不考虑接收处理过程中相关间隔优选的情况下，北斗三号基本系统的信号测距性能仍然可以达到优于0.1 m的水平(其中B1Cp信号分量SCB为0~0.15码片范围内的相关间隔测量结果)。

2.3.4 SISRE

利用计算的精密轨道钟差，对2018年12月27日至2019年02月11日期间北斗三号基本系统所有卫星的空间信号测距误差进行了评估，结果如图 7所示。

图 7 空间信号测距误差(RMS)Fig. 7 Signal-in-space range error(RMS)

图选项

图 7中可以看到多数北斗三号卫星(PRN编号小于19的卫星为北斗二号卫星)都在0.5 m(RMS)以内，只有PRN编号25、30两颗星受钟差精度影响，SISRE超过了1.0 m(RMS)。统计结果显示，北斗三号基本系统所有卫星空间信号测距误差(RMS)均值0.48 m，满足≤0.6 m的指标要求。得益于MEO星座设计以及星间链路的应用，相对于北斗二号而言，北斗三号的空间信号精度有了进一步提升。

2.3.5 广播轨道精度

SISRE评估相同时段所有卫星的广播轨道精度评估结果如图 8所示。

图 8 广播轨道精度Fig. 8 Accuracy of broadcast orbit

图选项

统计得到北斗三号基本系统所有卫星广播轨道在径向(R)、切向(T)、法向(N)的精度(RMS)分别为0.06 m、0.41 m、0.48 m。

2.3.6 广播钟差精度

SISRE评估时段所有卫星的广播钟差精度评估结果如图 9所示。

图 9 广播钟差精度Fig. 9 Accuracy of broadcast clock offset

图选项

统计显示，北斗三号基本系统所有卫星广播钟差精度(RMS)均值为1.57 ns，其中C22、C25、C30广播钟差统计结果超过2 ns，存在相对较为明显的系统性偏差，与设备时延偏差有关，可以通过调整导航电文中的Tgd参数进行消除。

2.3.7 星间测距精度

为了展示星间测距的性能，对SISRE评估时段星间测距的精度进行了评估，具体方法是将星间链路双向观测数据归算到同一历元，作差得到星间相对钟差，对星间钟差进行短期(1 h)线性拟合，获得拟合残差，用来评估星间测距噪声，结果如图 10所示。

图 10 星间测距噪声Fig. 10 Ranging noise of inter-satellites link

图选项

可以看出，北斗三号18颗卫星共形成135条星间的链路，所有链路星间相对钟差拟合残差值(RMS)在0.04~0.23 ns之间，所有卫星的平均值为0.1 ns。

2.3.8 卫星钟性能

北斗三号基本系统所有导航卫星均配备了4台新一代星载原子钟(当前使用的卫星钟类型详见表 8)，设计性能较北斗二号有进一步提升。

表 8 卫星钟类型Tab. 8 On-board clock of BDS-3 satellites

PRN编号	卫星	钟类型
19	MEO01	铷钟
20	MEO02	铷钟
21	MEO03	铷钟
22	MEO04	铷钟
23	MEO05	铷钟
24	MEO06	铷钟
27	MEO07	氢钟
28	MEO08	氢钟
29	MEO09	氢钟
30	MEO10	氢钟
25	MEO11	氢钟
26	MEO12	氢钟
32	MEO13	铷钟
33	MEO14	铷钟
34	MEO15	氢钟
35	MEO16	氢钟
36	MEO17	铷钟
37	MEO18	铷钟

表选项

利用2018年12月27日至2019年2月21日的精密钟差计算北斗三号基本系统所有卫星的Hadamard方差，结果如图 11所示。

图 11 星载原子钟性能Fig. 11 Performance of on-board clock

图选项

北斗三号基本系统卫星钟铷钟的万秒稳均值为3.39×10^-14，天稳均值1.62×10^-14，氢钟万秒稳均值为1.78×10^-14，天稳均值为5.21×10^-15。可以看到，相对于北斗二号的卫星钟性能而言^[3, 21]，北斗三号的卫星钟性能有了显著提升。由于部分卫星入轨时间较短，卫星钟仍在老化过程，性能在稳定后有望进一步提升。

2.3.9 SISRRE

SISRE评估相同时段的SISRRE指标评估结果如图 12所示。

图 12 SISRREFig. 12 SISRRE

图选项

统计显示，所有卫星SISRRE(RMS)均值为0.000 9 m/s，所有卫星均满足≤0.006 m/s的指标要求。

2.3.10 SISRAE

SISRE评估相同时段的SISRAE指标评估结果如图 13所示。

图 13 SISRAEFig. 13 SISRAE

图选项

统计显示，所有卫星SISRAE(RMS)均值为0.000 3 m/s²，所有卫星均满足≤0.002 m/s²的指标要求。

2.3.11 空间信号可用性

统计了北斗三号基本系统2018年12月27日至2019年2月14日以来的空间信号可用性，结果如图 14所示。

图 14 空间信号可用性Fig. 14 Signal-in-space availability

图选项

系统正式提供服务以来，只有PRN编号29、35两颗卫星发生了在轨维护事件影响了空间信号可用性，其他卫星未发生任何计划、非计划中断，所有卫星整体统计空间信号可用性优于99.78%，满足≥98.0%的指标要求，相对于同期的北斗二号所有卫星整体可用性98.93%有较大提升。

2.3.12 空间信号连续性

统计了北斗三号基本系统2018年12月27日至2019年2月14日以来的空间信号连续性，结果如图 15所示。

图 15 空间信号连续性Fig. 15 Signal-in-space continuity

图选项

统计显示北斗三号基本系统所有卫星空间信号连续性整体统计优于99.99%/h，相对于同期的北斗二号所有卫星整体连续性99.89%/h有较大提升。

2.3.13 PDOP可用性

利用广播星历，对北斗三号基本系统导航卫星一个回归周期(2019年1月1日至7日)内PDOP值进行计算，每5 min计算一组全球5°×5°格网上的PDOP值，然后统计PDOP值≤6的概率，结果如图 16所示。

图 16 PDOP可用性(5°截止高度角，PDOP≤6)Fig. 16 PDOP availability

图选项

从图 16中可以看出，北斗三号基本系统18颗MEO在全球的PDOP可用性均在85%以上，呈现随纬度变化的趋势，低纬度地区(南纬15°至北纬15°)及高纬度地区(南北纬55°以上)PDOP可用性95%以上，中纬度地区略低。

2.3.14 定位精度

利用2018年12月27日至2月14日iGMAS及MGEX跟踪站观测数据对北斗三号基本系统的单频伪距单点定位精度(95%，PDOP≤6)进行统计，定位精度结果见表 9。

表 9 定位精度Tab. 9 Accuracy of positioning

区域	站名	站址	B1I		B3I		B1C		B2a
水平	高程		水平	高程		水平	高程		水平	高程
亚洲	BJF1	北京	1.21	2.31		1.59	3.78		2.14	2.46		1.51	2.95
CSRS	泰国曼谷	1.15	2.14		1.66	3.06		2.35	4.90		3.59	7.54
METU	土耳其安卡拉	1.82	4.13		2.45	6.09		2.02	3.50		1.95	5.03
大洋洲	DWIN	澳大利亚达尔文	1.70	3.03		2.51	3.76		1.81	3.64		2.83	5.74
PETH	澳大利亚佩斯	1.44	3.11		1.57	3.75		1.85	3.95		2.09	4.92
欧洲	BRCH	德国布伦瑞克	6.58	8.38		10.20	13.40		2.53	3.61		2.44	3.65
非洲	HMNS	南非赫曼努斯	1.64	3.55		2.08	5.33		1.75	4.24		1.84	6.42
北美洲	CLGY	加拿大卡尔加里	5.52	9.31		8.50	15.02		2.05	3.19		2.32	3.61
南美洲	BYNS	阿根廷布宜诺斯艾利斯	2.11	3.95		2.87	5.56		2.77	4.90		2.47	6.20
南极洲	ZHON	南极中山	17.52	22.78		26.36	34.80		1.79	4.28		2.68	6.22
均值	4.07	6.27		5.98	9.46		2.11	3.87		2.37	5.23

表选项

从表中可以看出，北斗三号基本系统全球跟踪站定位精度均值水平方向优于6.0 m(95%)，高程方向优于10.0 m(95%)，其中B1I、B1C分别优于B2a、B3I，原因为B1I、B1C频率较高，电离层延迟改正残差相对较小；另外，B1C全球定位精度均值优于B1I，这与两种信号播发的电离层模型有关，B1I的Klobuchar电离层模型在目前仅采用国内地面监测站数据进行参数拟合的条件下，部分地区尤其高纬度地区精度稍差，而新的BDGIM模型采用了经验背景场，同样条件下，在全球范围精度更好^[8-9]。

2.3.15 UERE

作为综合定位误差的反应，统计了所有卫星全球跟踪站算得的UERE(RMS)，结果如图 17所示。

图 17 全球站UERE统计结果Fig. 17 Global average UERE

图选项

统计显示，全球范围内北斗三号卫星各频点UERE B1I为1.19 m，B3I均值为1.76 m，B1C均值为0.6 m，B2a均值为0.82 m。UERE的表现与定位精度一致，与不同电离层模型改正精度、不同频率信号电离层改正残差大小有关。

2.3.16 电离层模型精度

对B1I、B3I上播发的Klobuchar模型和B1C、B2a信号播发的BDGIM模型进行了比较，将两种模型算得的电离层延迟与IGS分析中心JPL的精密电离层产品进行比较，结果见表 10。

表 10 北斗三号播发的KLOBUCHAR和BDGIM模型精度比较Tab. 10 Results of BDS-3 broadcast KLOBUCHAR and BDGIM model

区域	BDS-Klobuchar		BDGIM
RMS(TECU)	改正比例 /(%)		RMS (TECU)	改正比例 /(%)
高纬	77.85	40.19		2.39	66.05
中纬	4.85	58.65		3.09	69.83
低纬	3.77	70.79		3.50	78.52

表选项

可以看到，在全球范围BDGIM性能相对于北斗播发的Klobuchar模型都有所提升，尤其在高纬度地区，提升范围在20.0%左右。总体来看BDGIM的改正比例大于65.0%。

2.3.17 测速精度

用定位精度评估相同数据，利用多普勒观测值进行测速计算，因为上述跟踪站均为静态站，真实速度为0.0 m/s，得出测速精度(95%)见表 11。

表 11 测速精度Tab. 11 Accuracy of velocity

m/s
区域	测站名	B1I		B3I		B1C		B2a
水平	高程		水平	高程		水平	高程		水平	高程
亚洲	BJF1	0.02	0.04		0.02	0.04		0.06	0.09		0.05	0.07
CSRS	0.03	0.06		0.03	0.05		0.02	0.05		0.08	0.13
METU	0.04	0.06		0.03	0.06		0.03	0.04		0.05	0.08
大洋洲	DWIN	0.02	0.06		0.02	0.06		0.04	0.12		0.04	0.12
PETH	0.02	0.04		0.02	0.04		0.05	0.09		0.04	0.08
欧洲	BRCH	0.02	0.05		0.02	0.05		0.04	0.05		0.04	0.05
非洲	HMNS	0.01	0.02		0.01	0.02		0.01	0.02		0.01	0.02
南美洲	BYNS	0.04	0.08		0.06	0.11		0.02	0.04		0.08	0.13
亚洲	KNDY	0.03	0.06		0.03	0.06		0.04	0.13		0.04	0.12
北美洲	CLGY	0.02	0.05		0.02	0.05		0.03	0.05		0.03	0.05
南极洲	ZHON	0.02	0.04		0.02	0.04		0.03	0.07		0.03	0.07
均值	0.02	0.05		0.03	0.05		0.03	0.06		0.05	0.09

表选项

表中可以看到，北斗三号基本系统全球跟踪站测速精度均值水平方向优于0.07 m/s，高程方向优于0.10 m/s。

2.3.18 授时精度

利用2018年12月27日至2019年2月28日数据，计算同一历元多颗可见星加权平均获得的BDT时间与UTC(NTSC)时间偏差，扣除导航电文中播发的UTC偏差后，得到授时精度(95%)见表 12。

表 12 授时精度Tab. 12 Accuracy of timing

ns
频点	B1I	B3I	B1C	B2a
精度	12.98	10.34	16.21	—

表选项

可以看到，北斗三号基本系统几个频点的授时精度优于20.0 ns(B2a暂未评估)。

2.3.19 定位可用性

利用定位精度评估相同数据，统计了各频点伪距单频单点定位可用性(水平≤20.0 m，高程≤20.0 m，未统计因接收机异常导致的定位误差变大的历元)，结果见表 13。

表 13 定位可用性Tab. 13 Availability of positioning

(%)
区域	站名	B1I	B3I	B1C	B2a
亚洲	BJF1	92.2	91.8	77.2	93.8
CSRS	99.5	99.4	94.5	99.2
METU	94.7	94.1	89.2	94.4
大洋洲	DWIN	98.9	98.4	98.2	98.2
PETH	96.7	96.1	93.8	95.6
欧洲	BRCH	95.8	93.5	94.3	96.1
非洲	HMNS	91.3	90.9	90.1	91.0
北美洲	CLGY	96.5	95.2	97.0	97.2
南美洲	BYNS	94.8	94.6	93.5	89.6
南极洲	ZHON	86.6	74.2	99.8	99.8
均值	93.93	91.71	92.76	95.49

表选项

表中可以看出，北斗三号基本系统全球跟踪站定位精度均值优于91.0%，定位可用性整体趋势与PDOP可用性匹配，即高、低纬度地区可用性比中纬度地区高，但由于B1I、B3I播发电离层模型精度在高纬度较差，高纬度B1I、B3I定位可用性相对B1C、B2a要低；另外，各站接收机性能存在差异，部分对B1C新信号的跟踪能力与其他信号有所差异，导致个别站B1C定位可用性指标较低。

3 结束语

经过对系统正式运行以来的导航定位服务性能进行评估，综合结果见表 14。

表 14 评估结果汇总Tab. 14 Summary of assessment results

指标名称	评估结果	指标要求
UTCOE/ns	13.5	≤20.0
功率特性/dBW	B1C：-155.04 B1I：-156.02 B2a：-153.14 B2b：-153.83 B3I：-155.49	—
SCB/ns	0.3	—
SISRE/m	0.48	≤0.6
广播轨道精度/m	径向0.06	—
广播钟差精度/ns	均值1.57	—
星间测距精度/ns	均值0.1	—
卫星钟性能	铷钟天稳1.62×10-14氢钟天稳5.21×10-15	—
SISRRE/(m/s)	0.000 9	≤0.006
SISRAE/(m/s2)	0.000 3	≤0.002
空间信号可用性	99.78%	≥98.0%
空间信号连续性	99.99%/h	≥99.8%/h
PDOP可用性	85%	≥85.0%
定位精度/m	水平优于6.0高程优于10.0	≤10.0 (PDOP≤6)
UERE/m	优于1.8	—
电离层模型精度	改正比例≥65%	—
测速精度/(m/s)	水平优于0.07高程优于0.10	—
授时精度/ns	19.1	≤20
定位可用性	优于91.0%	≥85.0%

表选项

结果表明北斗三号基本系统全球PDOP可用性优于85.0%，空间信号测距误差0.48 m(RMS)，空间信号连续性99.99%，空间信号可用性99.78%，UTC偏差误差19.1 ns(95%)，均满足系统服务性能规范承诺的指标。相对于北斗二号，北斗三号在覆盖能力、空间信号精度、空间信号可用性、空间信号连续性等方面均有不同幅度提升。当然，从评估结果来看，北斗三号基本系统服务性能也存在一些不足，主要是B1I、B3I信号播发的电离层模型在高纬度地区精度较差，导致这两个频点单频伪距单点定位精度在高纬度地区精度稍差，这也是系统后续需要着重改进的地方。

北斗三号系统基于星间链路，解决了卫星境外跟踪、信息注入的难题从而改善了卫星轨道确定和时间同步的性能，并增加新频段、新体制信号，实现了更好的兼容互操作能力，提供了更好的测量性能，这两方面是北斗三号系统性能优于北斗二号系统的主要原因。

北斗三号的建设正在稳步推进中，2020年底前还将发射11颗卫星，按照当前的评估结果来看，空间信号层面各项指标均表现优异，待北斗三号星座完成部署后，全球PDOP将进一步改善，用户服务性能会进一步提升。

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