北斗觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)方法及其軟件實(shí)現(xiàn)

蘇行，何戰(zhàn)科，孔垚，孫保琪，楊旭海

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北斗觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)方法及其軟件實(shí)現(xiàn)

蘇行1,2,3，何戰(zhàn)科1,2,3，孔垚1,3，孫保琪1,2，楊旭海1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

為檢測(cè)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)軟件BNC的質(zhì)量檢測(cè)模塊進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的BNC軟件能夠識(shí)別北斗系統(tǒng)，正確讀取觀測(cè)文件以及廣播星歷，并在雙頻基礎(chǔ)上增加了北斗的B3頻點(diǎn)，能給出各顆星的多路徑值，能正確畫(huà)出包含GEO衛(wèi)星在內(nèi)的衛(wèi)星高度角示意圖、PDOP值示意圖、衛(wèi)星可見(jiàn)性示意圖，以及三頻的多路徑、信噪比的天空視圖。

BNC軟件；質(zhì)量檢測(cè)；北斗接收機(jī)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（下文稱(chēng)BDS）是繼美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第3個(gè)較為成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2013年12月27日中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（2.0版）[1]（下文簡(jiǎn)稱(chēng)北斗ICD2.0），這無(wú)疑會(huì)帶動(dòng)北斗系統(tǒng)終端、芯片的研發(fā)以及生產(chǎn)，而接收機(jī)所接收到的數(shù)據(jù)能否正常用于定位定軌等，取決于其數(shù)據(jù)質(zhì)量，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢測(cè)對(duì)接收機(jī)的評(píng)估是十分必要的。

目前比較權(quán)威的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件有UNAVCO研發(fā)的TEQC，但TEQC目前只能分析GPS、GLONASS的數(shù)據(jù)質(zhì)量，且不具有擴(kuò)展性[2]。開(kāi)源軟件BNC（BKG Ntrip Client）基于Qt庫(kù)，使用C++語(yǔ)言編寫(xiě)而成，是一個(gè)用于同時(shí)獲取、解碼、轉(zhuǎn)換和處理實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流的程序，它主要是一個(gè)實(shí)時(shí)工具，但它同樣具備一些后處理功能，比如數(shù)據(jù)的編輯以及質(zhì)量分析，其中質(zhì)量分析包括周跳探測(cè)、多路徑、衛(wèi)星可見(jiàn)性示意圖、衛(wèi)星高度角示意圖、PDOP示意圖[3]。相較于TEQC，BNC還支持GNU公共許可證下RINEXv3格式的文件。目前BNC可分析雙頻GPS、GLONASS、Galileo這3種導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，具有開(kāi)源以及界面友好易操作等特性。

本文首先比較分析了BDS與GPS系統(tǒng)的異同，然后根據(jù)其差異對(duì)BNC的源代碼以及算法做了相應(yīng)的改進(jìn)，使其可以分析三頻北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)基本的質(zhì)量檢測(cè)功能，并正確畫(huà)出各示意圖。

1 BDS與GPS的比較與分析

BDS與GPS有很多相似之處，同時(shí)也存在一些差異。由于開(kāi)源軟件BNC可以處理GPS數(shù)據(jù)，因此對(duì)BDS與GPS做比較有助于對(duì)BNC進(jìn)行改進(jìn)。

1.1 系統(tǒng)比較與分析

目前北斗二代已成功發(fā)射16顆衛(wèi)星，其中14顆可正常提供服務(wù)，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星組成[1]。GPS由分布于6個(gè)軌道面內(nèi)的32顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星組成，僅提供導(dǎo)航等服務(wù)，不具備報(bào)文通信功能[4]。

下面對(duì)BDS和GPS就星座結(jié)構(gòu)、頻率、時(shí)間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)方面作比較與分析。

1）星座結(jié)構(gòu)：北斗系統(tǒng)包含GEO、IGSO、MEO 3種類(lèi)型的衛(wèi)星，而PDOP（三維位置精度因子）值、高度角、方位角的計(jì)算均與衛(wèi)星位置相關(guān)，其中IGSO衛(wèi)星位置的計(jì)算方法與MEO相同[5]，因此在衛(wèi)星位置計(jì)算時(shí)要考慮GEO衛(wèi)星的特殊性。GEO衛(wèi)星位置計(jì)算公式參考北斗ICD 2.0。

2）頻率：當(dāng)前北斗系統(tǒng)已發(fā)射的信號(hào)[4]為：①頻率為1561.098 MHz和1589.742MHz的B1（I）和B1- 2（I）公開(kāi)服務(wù)信號(hào)；②頻率為1207.14MHz的B2（I）公開(kāi)服務(wù)信號(hào)；③授權(quán)用戶信號(hào)B3：1268.52 MHz。GPS目前公開(kāi)的民用信號(hào)有L1、L2、L5，但L5目前還未大規(guī)模投入使用[6]，其中L1、L2的載波頻率分別為1575.42MHz、1227.60MHz[7]，L5為1176.45MHz[8]。

3）時(shí)間系統(tǒng)：北斗系統(tǒng)采用的系統(tǒng)時(shí)為北斗時(shí)（BDT），北斗時(shí)的起始?xì)v元為2006年1月1日協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）00:00:00，采用周和周內(nèi)秒計(jì)數(shù)[4]，而GPS系統(tǒng)采用的是系統(tǒng)時(shí)為GPS時(shí)，GPS時(shí)的起始?xì)v元為1980年1月6日協(xié)調(diào)世界時(shí)00:00:00[9]，因此在修改源碼的過(guò)程中要考慮到2個(gè)時(shí)間系統(tǒng)之差。

4）坐標(biāo)系統(tǒng)：北斗系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)為中國(guó)2000大地坐標(biāo)系統(tǒng)（CGCS2000），CGCS2000的定義與國(guó)際地球參考系統(tǒng)（ITRS）一致，CGCS2000的實(shí)現(xiàn)稱(chēng)為CTRF2000，CTRF2000與國(guó)際地球參考框架ITRF的一致性約為幾個(gè)厘米，因此，對(duì)于大多數(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航用戶來(lái)說(shuō)，可以不考慮CTRF2000與ITRF的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[4]。

1.2 數(shù)據(jù)格式比較與分析

考慮到北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容性，在制定北斗系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)文件以及導(dǎo)航信息文件的數(shù)據(jù)格式時(shí)，采用與GPS系統(tǒng)相同的格式，但仍有些許差異。存在于觀測(cè)數(shù)據(jù)文件的差異主要是：1）系統(tǒng)標(biāo)識(shí)（C為北斗，G為GPS）以及頻率代號(hào)（B1、B2、B3為北斗，L1、L2、L5為GPS）的不同；2）導(dǎo)航信息文件的格式稍有不同，導(dǎo)航文件的格式對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)航文件格式對(duì)比

2 基于BNC的軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 BNC的功能及配置

BNC（BKG Ntrip Client）是一個(gè)實(shí)時(shí)處理工具，它的主要功能有：可檢索通過(guò)NTRIP傳輸協(xié)議的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流；也可通過(guò)TCP、本地UDP或串行端口獲取實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流；為近似實(shí)時(shí)的GNSS后處理程序生成RINEX觀測(cè)文件與導(dǎo)航文件；為實(shí)時(shí)GNSS網(wǎng)絡(luò)引擎生成星歷以及同步或非同步的觀測(cè)值；為GNSS流動(dòng)站的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位生成廣播星歷的軌道以及鐘差；監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)并對(duì)中斷或損壞的數(shù)據(jù)流做記錄；掃描數(shù)據(jù)流的天線信息、觀測(cè)類(lèi)型、信息類(lèi)型及其重復(fù)率；通過(guò)串口將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)紾NSS接收機(jī)；進(jìn)行實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位以確定GNSS流動(dòng)站的位置；同時(shí)處理多個(gè)廣播修正數(shù)據(jù)流來(lái)生成、編碼、上傳修正后的信息；上傳RTCMv3格式的廣播星歷數(shù)據(jù)流；讀取ASCII格式的GNSS軌道以及鐘差，它們由實(shí)時(shí)GNSS引擎比如RTNet生成，參考系為IGS地心地固參考系[3]。

BNC源代碼可以從http://software.rtcm-ntrip.org/svn/trunk/BNC下載，有適用于Windows、Linux、MacOS的版本。最新版本的BNCv2.10所使用的編譯器是MinGW4.4.0，使用了Qt4.8.5提供的共享庫(kù)。在Windows下安裝Qt以及配置BNC有以下步驟：首先安裝MinGW（設(shè)定其安裝路徑為C:MinGW）與Qt共享庫(kù)（設(shè)定其安裝路徑為C:Qt4.8.5），然后按照以下方式修改Windows的環(huán)境變量：令QTDIR為C:Qt4.8.5；在PATH中添加C:MinGWin以及C:Qt4.8.5in；令QMAKESPEC為C:Qt4.8.5makespecswin32-g++。在BNC目錄下執(zhí)行命令qmake bnc.pro，輸入命令mingw32-make，在src目錄下即可找到bnc.exe文件。

2.2 對(duì)BNC的改進(jìn)

BNC的質(zhì)量分析包括以下幾部分：周跳的探測(cè)，多路徑的計(jì)算，衛(wèi)星可見(jiàn)性示意圖，衛(wèi)星高度角示意圖，PDOP值示意圖，多路徑以及信噪比的天空視圖。主要修改了以下幾個(gè)源代碼文件：常數(shù)文件bncconst.cpp，質(zhì)量分析、畫(huà)圖文件reqcanalyze.cpp，星歷文件ephemeris.cpp。

BNC中周跳探測(cè)，多路徑等計(jì)算模塊只能識(shí)別并計(jì)算GPS系統(tǒng)2個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)，且輸出文件中僅給出總體均值，沒(méi)有給出各顆星的數(shù)據(jù)，這對(duì)相關(guān)問(wèn)題的分析與判斷影響頗大。另外，衛(wèi)星高度角的計(jì)算、PDOP值的計(jì)算、天空視圖的繪制均與衛(wèi)星位置的計(jì)算有關(guān)系。

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)BNC進(jìn)行了如下擴(kuò)展與改進(jìn)：1）增加了BDS的識(shí)別模塊；2）增加了北斗B3頻點(diǎn)；3）增加了讀取北斗廣播星歷模塊；4）增加了計(jì)算BDS中GEO衛(wèi)星位置的計(jì)算模塊；5）調(diào)整了時(shí)間系統(tǒng)；6）在輸出中增加了每顆星的多路徑值的詳細(xì)信息。

通過(guò)對(duì)代碼的修改，軟件可以識(shí)別北斗系統(tǒng)，正確讀取導(dǎo)航星歷文件，且能識(shí)別并計(jì)算北斗系統(tǒng)的B3頻點(diǎn)，在輸出文件中可列出各顆星的多路徑RMS值，并正確畫(huà)出各示意圖。

由于增加了B3頻點(diǎn)，因此在計(jì)算多路徑時(shí)稍作調(diào)整。多路徑計(jì)算的公式[10]為：

BNC數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)流程見(jiàn)圖1，每個(gè)虛線框?qū)?yīng)當(dāng)前步驟所能提供的功能。圖1中左邊虛線框所示為原始BNC的功能，右邊則為修改后的功能。

圖1 BNC數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)流程圖

2.3 測(cè)試結(jié)果

首先驗(yàn)證其可信度。使用改進(jìn)后的BNC與TEQC分別處理GPS數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選自2014年年積日001的IGS北京房山站的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。

在周跳探測(cè)方面，由于軟件設(shè)計(jì)有所不同，TEQC可探測(cè)出所有周跳，包括大周跳與小周跳，而B(niǎo)NC不能完全探測(cè)出所有周跳。

將2種軟件計(jì)算出每顆星的多路徑RMS的結(jié)果作差，由圖2（diffMP1為BNC與TEQC分別計(jì)算出32顆星L1頻點(diǎn)的多路徑之差，diffMP2為L(zhǎng)2頻點(diǎn)的多路徑之差）可見(jiàn)2種軟件給出的結(jié)果之差大多在厘米級(jí)，由此判定BNC給出的多路徑結(jié)果是可信的，且小周跳對(duì)多路徑計(jì)算的影響不大。

圖2 2種軟件解算出GPS系統(tǒng)每顆星多路徑RMS的差值（單位：m）

驗(yàn)證修改后的BNC的可信度之后，使用其處理北斗觀測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選自2013年年積日190的iGMAS[12]（international GNSS monitoring & assessment service）昆明站的實(shí)測(cè)北斗數(shù)據(jù)。iGMAS是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，其功能與國(guó)際GNSS服務(wù)（International GNSS Service）相當(dāng)。

軟件給出的北斗系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)文本如圖3所示。圖3中Slips（file）為探測(cè)出的數(shù)據(jù)跳變（間斷）個(gè)數(shù)，Slips（found）為BNC標(biāo)記的周跳個(gè)數(shù)。輸出文本中12~25行為北斗系統(tǒng)每顆星3個(gè)頻點(diǎn)的多路徑RMS值，26~28行是3個(gè)頻點(diǎn)的多路徑平均值，29~31行是3個(gè)頻點(diǎn)的信噪比平均值。此外該數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)文本中還包括接收機(jī)、天線類(lèi)型（隱去）、起止時(shí)間、采樣間隔、理論觀測(cè)數(shù)量、實(shí)際觀測(cè)數(shù)量等基本信息。

圖3 改進(jìn)后BNC給出的北斗系統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)文本

3個(gè)頻點(diǎn)的多路徑的天空視圖如圖4所示，主要分布在0~1 m之間。表盤(pán)刻度指示方位角，內(nèi)圈刻度指示高度角，每條曲線代表對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的軌跡，由于GEO衛(wèi)星的靜地特性，其軌跡近似點(diǎn)狀。

圖4 3頻北斗系統(tǒng)的多路徑天空視圖

3個(gè)頻點(diǎn)的信噪比的天空視圖如圖5所示。主要分布在6~8（RINEX標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)強(qiáng)度，9最強(qiáng)）之間。

圖5 三頻北斗系統(tǒng)的信噪比天空視圖

圖6包括衛(wèi)星可見(jiàn)性示意圖（圖6（a））、衛(wèi)星高度角示意圖（圖6（b））和PDOP值和衛(wèi)星數(shù)量示意圖（圖6（c），其中細(xì)線條和對(duì)應(yīng)右側(cè)刻度，表示PDOP；粗線條對(duì)應(yīng)左側(cè)刻度，表示衛(wèi)星數(shù)量）。

圖6 衛(wèi)星可見(jiàn)性、高度角、PDOP值示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)BDS與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成以及數(shù)據(jù)格式的分析比較，總結(jié)出差異主要在于以下5方面：1）衛(wèi)星位置計(jì)算方法（星座結(jié)構(gòu)不同）；2）頻點(diǎn)；3）時(shí)間系統(tǒng)；4）觀測(cè)文件系統(tǒng)標(biāo)識(shí)；5）導(dǎo)航文件格式。針對(duì)這幾點(diǎn)，在開(kāi)源軟件BNC的基礎(chǔ)上對(duì)其質(zhì)量分析模塊進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，使其可以識(shí)別北斗系統(tǒng)的觀測(cè)文件以及廣播星歷，分析三頻數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并正確給出包含GEO衛(wèi)星在內(nèi)的衛(wèi)星可見(jiàn)性示意圖、衛(wèi)星高度角示意圖、PDOP示意圖、三頻多路徑以及信噪比的天空視圖。修改后的BNC具有界面友好、易用、易擴(kuò)展等特性。

[1] 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件(公開(kāi)服務(wù)信號(hào))[S]. 2.0版. 北京: 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室, 2013.

[2] ESTEY L, WIER S. Basics of Teqc Use and Teqc Products[S]. USA: UNAVCO Facility, 2013.

[3] Federal Agency for Cartography and Geodesy. BKG IVtrip Client[P/OL].(2013-12-01)[2014-05-01]. http://software.rtcm-ntrip.org/svn/trunk/BNC.

[4] 楊元喜. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2010, 39(1): 1-6.

[5] 劉季. 北斗GEO衛(wèi)星位置計(jì)算方法探究[J]. 測(cè)繪地理信息, 2012, 37(5): 33-36.

[6] 孔垚. 區(qū)域網(wǎng)多星定軌與時(shí)間同步[D]. 西安: 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 2012.

[7] 李孝輝, 楊旭海, 劉婭, 等. 時(shí)間頻率信號(hào)的精密測(cè)量[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[8] Global Positioning Systems Directorate. Global Positioning Systems Directorate Systems Engineering & Intergration Interface Specification IS-GPS-200[S]. USA: [s.n.], 2012.

[9] KAPLAN E D, HEGARTY C J. GPS原理與應(yīng)用[M]. 寇艷紅, 譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

[10] SIMSKY A, MERTENS D, SLEEWAEGEN J M, et al. Experimental results for the multipath performance of Galileo signals transmitted by GIOVE-A satellite[J]. International Journal of Navigation and Observation, 2008: 1-13.

[11] 孫保琪. 基于三頻數(shù)據(jù)的Compass衛(wèi)星精密定軌[D]. 西安: 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 2010.

[12] 何戰(zhàn)科, 李志剛, 楊旭海, 等. 基于我國(guó)全球連續(xù)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的ERP測(cè)定的精度分析[J]. 全球定位系統(tǒng), 2010, 5: 21-24.

Method of checking Beidou observationquality and software implementation

SU Hang1,2,3, HE Zhan-ke1,2,3, KONG Yao1,3, SUN Bao-qi1,2, YANG Xu-hai1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

For checking the quality of the Beidou navigation satellites system data observed with the receivers, the quality-check model of BNC, a software for checking the quality of the observations, has been improved. The improved BNC can recognize the Beidou system and read the observation file and broadcast ephemeris correctly. Besides, the frequency B3 is added to the original dual-frequency in this program, and the multipaths for various satellites can be listed in the output file, furthermore the multipath-analysis sky plots and the signal-to-noise sky plots for three-frequencies, as well as the satellites elevation plots, the PDOP plots and the satellite availability plots for the satellites, including GEO satellites, are given in this program.

BNC software; quality-check; Beidou receiver

TN228.4

A

1674-0637(2014)04-0234-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-04-0234-08

2014-02-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11173026）

蘇行，女，碩士，主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理方面的研究。