北斗與GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比分析＊

潘 林，蔡昌盛，戴吾蛟，高 曉

（中南大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程系，湖南 長(zhǎng)沙410083）

0 引 言

衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析在測(cè)繪工作中是必不可少的，能夠?yàn)檫B續(xù)運(yùn)行參考站的選址以及運(yùn)行過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供重要信息，而且也為衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)處理提供諸多先驗(yàn)信息［1－4］。TEQC是功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用的GPS／GLONASS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，主要功能有格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢查［5］。其中，質(zhì)量檢查模塊能夠很全面的對(duì)GPS、GLONASS等衛(wèi)星系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。但由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展較晚，TEQC并不能對(duì)北斗觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。利用筆者自己開(kāi)發(fā)的類(lèi)似TEQC的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件，從多路徑效應(yīng)、周跳、數(shù)據(jù)采集率、載噪比四個(gè)方面，對(duì)空曠環(huán)境和樹(shù)林環(huán)境采集的北斗與GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量分析。

1 觀測(cè)環(huán)境與數(shù)據(jù)采集

如圖1（a）所示，空曠環(huán)境觀測(cè)點(diǎn)位于中南大學(xué)校本部文法樓樓頂，樓高20m以上，地勢(shì)很高，周?chē)挚諘?，沒(méi)有任何遮擋物。如圖1（b）所示，樹(shù)林環(huán)境觀測(cè)點(diǎn)位于中南大學(xué)校本部文法樓前面，周?chē)且黄瑯?shù)林，遮擋很明顯。

采集數(shù)據(jù)的接收機(jī)是由南方測(cè)繪公司生產(chǎn)，接收機(jī)類(lèi)型是SouthGps，天線類(lèi)型是HX－BS405A．空曠環(huán)境與樹(shù)林環(huán)境數(shù)據(jù)采集都在2012年5月7日進(jìn)行，它們的觀測(cè)時(shí)間為1∶30－9∶00（GPS時(shí)），時(shí)段長(zhǎng)度是7．5h，采樣間隔為30s，截止高度角設(shè)為10°，采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)為北斗和GPS的混合數(shù)據(jù)。

2 多路徑效應(yīng)

兩個(gè)頻率上的偽距觀測(cè)值多路徑效應(yīng)通?？梢酝ㄟ^(guò)偽距和載波相位觀測(cè)值的線性組合分別求得，其計(jì)算公式如下［6］:

式中:MP1、MP2分別表示北斗B1、B2波段上的偽距和載波相位觀測(cè)值的多路徑效應(yīng)組合；Pw為偽距觀測(cè)值；B為載波相位觀測(cè)值（單位m）；εP為觀測(cè)噪聲；M為偽距觀測(cè)值的多路徑效應(yīng)；m為載波相位觀測(cè)值的多路徑效應(yīng)；n為整周模糊度；a＝f21／f22，f為載波相位觀測(cè)值的頻率；λ為載波相位觀測(cè)值的波長(zhǎng)。

如果沒(méi)有周跳發(fā)生，則C是常量，因?yàn)閙1、m2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M1、M2，所以MP1、MP2主要反映了偽距多路徑效應(yīng)的影響，偽距多路徑效應(yīng)可以通過(guò)對(duì)MP1和MP2求標(biāo)準(zhǔn)差（STD）來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

多路徑效應(yīng)值是通過(guò)各歷元的MP1、MP2值減去MP1、MP2均值得到的，而MP1、MP2均值是通過(guò)5min內(nèi)各歷元的MP1、MP2值求平均獲得的。但當(dāng)有周跳發(fā)生時(shí)，MP1、MP2均值要從發(fā)生周跳的歷元重新開(kāi)始計(jì)算。使用TurboEdit方法進(jìn)行周跳探測(cè)［7］。

圖2示出了空曠環(huán)境下C01、C09、G22、G31四顆衛(wèi)星的多路徑（B1／L1）與高度角關(guān)系。從圖中可知，C01是地球靜止衛(wèi)星，高度角在46．41～47．03°變化，所以，多路徑效應(yīng)在整個(gè)時(shí)段比較均勻；C09是傾斜同步軌道衛(wèi)星，其在6∶01－7∶31這段時(shí)間內(nèi)多路徑明顯增大，這是由于較低的衛(wèi)星高度角的緣故；G22和G31均是GPS衛(wèi)星，G22在1∶30－2∶11、5∶55－6∶54這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)多路徑明顯增加，而G31在2∶42－3∶49這段時(shí)間內(nèi)多路徑明顯更大，也是受到衛(wèi)星低高度角的影響。根據(jù)圖中高度角的變化，在C09、G22、G31這三顆衛(wèi)星多路徑明顯增大的時(shí)間段其高度角基本在35°以下，這反映了低高度角對(duì)偽距多路徑效應(yīng)的影響。

圖3示出了樹(shù)林環(huán)境下C01、C09、G22、G31四顆衛(wèi)星的多路徑（B1／L1）與高度角關(guān)系。從圖中也可以看出，低高度角信號(hào)的多路徑效應(yīng)顯著更大。相比于空曠環(huán)境，在樹(shù)林環(huán)境下四顆衛(wèi)星的多路徑統(tǒng)計(jì)值都增加了0．3m以上。表1示出了空曠環(huán)境與樹(shù)林環(huán)境下的數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)。從表中可以看出，在空曠環(huán)境下，B1／L1上的多路徑在0．3 m以?xún)?nèi)，B2／L2上的多路徑在0．4m以?xún)?nèi)，多路徑較??；在樹(shù)林環(huán)境下，多路徑增加了0．322～0．461 m，多路徑大大增加。樹(shù)林環(huán)境下多路徑明顯增大是因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)在穿過(guò)樹(shù)林時(shí)，樹(shù)葉容易造成衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生衍射和反射，從而導(dǎo)致多路徑效應(yīng)更加明顯。

表1 空曠環(huán)境與樹(shù)林環(huán)境下數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)

3 載噪比

載噪比是指載波信號(hào)與噪聲的能量密度之比，是反映載波相位觀測(cè)質(zhì)量的指標(biāo)之一［8］。由于載噪比和信號(hào)強(qiáng)度是息息相關(guān)的，文中用信號(hào)強(qiáng)度值乘以5來(lái)近似表示載噪比值。

圖4示出了空曠環(huán)境下載噪比與高度角關(guān)系。具體是將高度角每5°劃分，統(tǒng)計(jì)這5°內(nèi)所有衛(wèi)星載噪比的均值。例如，圖中12．5°處的載噪比值表示10～15°內(nèi)所有衛(wèi)星的載噪比均值。從圖中可以看出，除高度角大于60°時(shí)L1和B1上的載噪比值相等外，當(dāng)高度角相同時(shí)，L1上的載噪比值最大，B1次之，L2上的載噪比值最??；從圖中還可以看出，隨著高度角的降低，載噪比值明顯減小。圖5示出了樹(shù)林環(huán)境下載噪比與高度角關(guān)系。從圖中可以看出，除高度角小于45°時(shí)B1和B2上的載噪比值基本相等外，其他特征基本和圖4相似。從表1可以看出（最后兩列），樹(shù)林環(huán)境下的載噪比均值均略大于空曠環(huán)境，因此可以說(shuō)樹(shù)林環(huán)境對(duì)載噪比造成的影響是非常小的。

4 周跳與數(shù)據(jù)采集率

當(dāng)某歷元兩個(gè)頻率上任何一個(gè)載波相位觀測(cè)值發(fā)生周跳則認(rèn)為這個(gè)歷元發(fā)生周跳。發(fā)生周跳的歷元個(gè)數(shù)除以歷元總數(shù)便得到周跳發(fā)生率。只有當(dāng)兩個(gè)頻率上的偽距和載波相位觀測(cè)值都可以獲得時(shí)則認(rèn)為這個(gè)歷元的數(shù)據(jù)是有效的，據(jù)此計(jì)算獲得數(shù)據(jù)采集率。表1示出了周跳發(fā)生率與數(shù)據(jù)采集率。在空曠環(huán)境下發(fā)生周跳的頻率（周跳數(shù)／數(shù)據(jù)量）均小于1‰，數(shù)據(jù)采集率均大于97%，可見(jiàn)空曠環(huán)境下數(shù)據(jù)質(zhì)量是非常好的。相比于空曠環(huán)境，樹(shù)林環(huán)境下北斗數(shù)據(jù)發(fā)生周跳的頻率增加0．805‰，數(shù)據(jù)采集率下降4%；GPS數(shù)據(jù)發(fā)生周跳的頻率增加17．993‰，數(shù)據(jù)采集率下降21%。因此，樹(shù)林環(huán)境下的數(shù)據(jù)質(zhì)量是差于空曠環(huán)境的，這主要是因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)穿過(guò)樹(shù)林時(shí)，樹(shù)葉可能遮擋信號(hào)，從而導(dǎo)致信號(hào)失鎖、數(shù)據(jù)采集率降低。

從表1中還可以看出，樹(shù)林環(huán)境下GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯差于北斗數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高度角小于25°時(shí)，周跳明顯增多，數(shù)據(jù)采集率顯著降低，分析認(rèn)為，當(dāng)高度角很小時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)穿過(guò)樹(shù)林的路徑大大增長(zhǎng)，從而更容易造成樹(shù)葉遮擋衛(wèi)星信號(hào)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，樹(shù)林環(huán)境下北斗數(shù)據(jù)中高度角小于25度的數(shù)據(jù)量占總數(shù)據(jù)量的1．01%，而GPS數(shù)據(jù)中高度角小于25度的數(shù)據(jù)量占總數(shù)據(jù)量的11．39%，從而導(dǎo)致樹(shù)林環(huán)境下GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯差于北斗數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

利用空曠環(huán)境和樹(shù)林環(huán)境下實(shí)測(cè)北斗和GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn):相比空曠環(huán)境，樹(shù)林環(huán)境下的觀測(cè)數(shù)據(jù)偽距多路徑更大、周跳增多、數(shù)據(jù)采集率降低，數(shù)據(jù)質(zhì)量變差，但載噪比并沒(méi)有明顯差別，根據(jù)這些指標(biāo)，樹(shù)林環(huán)境下北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量要好于GPS．另外，無(wú)論是北斗還是GPS，數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)隨著高度角的降低而變差。載噪比的分析結(jié)果表明，在兩種觀測(cè)環(huán)境中，GPS L1頻段上的載噪比值最大，北斗B1次之，GPS L2頻段上的載噪比值最小。

［1］ 丁 銳．利用TEQC軟件對(duì)GNSS連續(xù)參考站選址的數(shù)據(jù)分析 ［J］．城市勘測(cè)，2009（1）:56－59．

［2］ 陳中新，系長(zhǎng)元．應(yīng)用TEQC對(duì)GPS連續(xù)參考站數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析 ［J］．全球定位系統(tǒng)，2007，33（3）:228－231．

［3］ 張亦梅．應(yīng)用TEQC對(duì)湖北省陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析 ［J］．大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2011（31）:94－97．

［4］ 范士杰，郭際明．TEQC在GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用于分析 ［J］．測(cè)繪信息與工程，2004（29）:33－35．

［5］ UNAVCOFacility．TEQC Tutorial［EB／OL］．［2009－7－16］http:／／facility．unavco．org／software／teqc／tutorial．html．

［6］ ESTEY L H，MEERTENS，C M TEQC:The multipurpose toolkit for GPS／GLONASS data［J］．GPS Solut．，1999，3（1）:42－49．

［7］ BLEWITT G．An automatic editing algorithm for GPS data［J］．Geophys Res．Lett．，1990，17（3）:199－202．

［8］ 戴吾蛟，丁曉利．基于載噪比及參數(shù)先驗(yàn)信息的抗差模型 ［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（33）:834－837．