GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

李曉光，程鵬飛，成英燕，萬(wàn) 軍

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000； 2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830；3. 建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

李曉光1，2，程鵬飛2，成英燕2，萬(wàn) 軍3

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000； 2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830；3. 建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

GNSS載波相位觀測(cè)值受觀測(cè)噪聲和接收機(jī)鐘跳等的影響，其周跳檢驗(yàn)量序列隨時(shí)間發(fā)生變化。為構(gòu)造穩(wěn)健而又敏感的周跳檢驗(yàn)量，需對(duì)不同系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析，而多路徑效應(yīng)和信噪比則是影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)。本文重點(diǎn)分析了GPS與BDS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)及信噪比,并提出了一種接收機(jī)時(shí)鐘的鐘跳探測(cè)方法，即采用雙頻相位觀測(cè)值的O- C值，通過(guò)消電離層線性組合進(jìn)行鐘跳探測(cè)。

GNSS；多路徑；信噪比；鐘跳；MGEX

在GNSS載波相位觀測(cè)過(guò)程中，為構(gòu)建高質(zhì)量周跳檢驗(yàn)量，對(duì)多類衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析研究越來(lái)越重要。尤其是我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的快速發(fā)展，使得對(duì)它的研究進(jìn)一步深入，本文從3個(gè)方面分析了各種軌道的BDS衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量[1]。

1 多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)是指接收機(jī)除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，還同時(shí)接收測(cè)站附近的物體表面一次或多次反射的信號(hào)，這種不同路徑的信號(hào)與直接信號(hào)疊加，產(chǎn)生的時(shí)延效應(yīng)稱為多路徑誤差。多路徑誤差主要受觀測(cè)環(huán)境的影響， 偽距的多路徑誤差最大可達(dá)0.5個(gè)碼元寬度；載波相位的波長(zhǎng)短，約為偽距的1/1000，載波相位觀測(cè)值的多路徑誤差一般不超過(guò)1/4波長(zhǎng)，其測(cè)量噪聲和多徑效應(yīng)要比偽距小得多，因此主要考慮偽距多路徑的影響[2]。

相比于偽碼，載波相位的多路徑影響可以忽略，因此，通過(guò)載波相位觀測(cè)值和偽距觀測(cè)值之差來(lái)求得偽距的多路徑誤差，觀測(cè)方程可表示為

Pi-Li=2Δion,i+MPi-λiNi

(1)

由電離層折射的彌散特性可知，Δion,1和Δion,2有以下特性

(2)

假設(shè)兩個(gè)頻率的載波在對(duì)流層中的傳播路徑相同，則在兩個(gè)載波上的電離層延遲可表示為

(3)

將式(3)代入式(1)可得

(4)

由于相位模糊度的存在，得到的多路徑與實(shí)際值存在系統(tǒng)性偏差，要求出多路徑的真實(shí)量，必須準(zhǔn)確地求出整周模糊度，而模糊度的求解復(fù)雜，因此采用移動(dòng)平均的方法計(jì)算偽距的多路徑值。在不發(fā)生周跳的情況下，兩載波的整周未知數(shù)為常數(shù)，選擇一個(gè)序列，計(jì)算出移動(dòng)窗口內(nèi)多路徑的平均值，再用偽距瞬時(shí)多路徑減去這一平均值，就得到多路徑效應(yīng)的幅值，獲得正確的多路徑值。

利用KARR、PERT、TOW2測(cè)站2016年1月10—12日3 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析GPS與BDS數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)的影響，數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s。

1.1 同一測(cè)站GPS與BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)分析

選取PERT站2016年1月10日的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖1 表示PERT站GPS衛(wèi)星與BDS的MEO衛(wèi)星多路徑效應(yīng)隨高度角的變化；圖2 表示PERT站BDS的GEO與IGSO衛(wèi)星多路徑效應(yīng)隨高度角的變化。

圖1 PERT站G03與C14衛(wèi)星多路徑效應(yīng)隨高度角變化

圖2 PERT站C03與C06衛(wèi)星多路徑效應(yīng)隨高度角變化

由圖可以看出，所有衛(wèi)星在高度角較低時(shí)，多路徑效應(yīng)值相對(duì)較大，當(dāng)高度角升高時(shí)，多路徑效應(yīng)明顯下降；BDS衛(wèi)星由于其星座的特殊性，多路徑效應(yīng)表現(xiàn)出與GPS不同的特點(diǎn)，其MEO衛(wèi)星高度角變化規(guī)律與GPS衛(wèi)星一致；GEO衛(wèi)星由于其軌道的特殊性，高度角變化較小，多路徑變化較為穩(wěn)定。

1.2 不同測(cè)站BDS各軌道衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)分析

BDS系統(tǒng)星座是由GEO、IGSO、MEO 3種不同軌道衛(wèi)星組成的，選取KARR、PERT、TOW2測(cè)站2016年1月10—12日3 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別在B1、B2頻點(diǎn)對(duì)3種軌道衛(wèi)星多路徑效應(yīng)進(jìn)行分析。

表1表示BDS各軌道衛(wèi)星B1頻點(diǎn)多路徑效應(yīng),表2表示BDS各軌道衛(wèi)星B2頻點(diǎn)多路徑效應(yīng)，圖3表示BDS各軌道衛(wèi)星兩頻點(diǎn)多路徑效應(yīng)站平均值。由圖3和表1、表2可看出，不論在B1頻點(diǎn)還是在B2頻點(diǎn)，多路徑效應(yīng)均呈現(xiàn)出GEO

表1 BDS各軌道衛(wèi)星B1頻點(diǎn)多路徑效應(yīng) m

表2 BDS各軌道衛(wèi)星B2頻點(diǎn)多路徑效應(yīng) m

圖3 BDS各軌道衛(wèi)星多路徑效應(yīng)站平均值

2 信噪比

信噪比是指載波信號(hào)強(qiáng)度和噪聲強(qiáng)度的比值。它主要受天線的增益參數(shù)、接收機(jī)相關(guān)器狀態(tài)及多路徑誤差的影響，是反映載波相位觀測(cè)質(zhì)量的指標(biāo)之一[3]。信噪比可以從觀測(cè)文件中直接獲得，其數(shù)值越大，表示信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)。

選取KARR、PERT、TOW2測(cè)站2016年1月10—15日6 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析GNSS不同系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的信噪比及北斗各軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)信噪比隨時(shí)間的變化情況。

信噪比與信號(hào)強(qiáng)度息息相關(guān)，是反映GNSS載波信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。圖4表示TOW2站BDS 3個(gè)軌道上衛(wèi)星數(shù)據(jù)信噪比隨時(shí)間的變化情況，圖5表示GPS與BDS衛(wèi)星兩頻點(diǎn)數(shù)據(jù)的信噪比情況?？梢钥闯觯珺DS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星由于軌道的特殊性，其數(shù)據(jù)信噪比變化較平穩(wěn)，MEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)信噪比變化較大；GPS衛(wèi)星在L1頻點(diǎn)的信噪比明顯大于L2頻點(diǎn)的信噪比，而B(niǎo)DS衛(wèi)星在B2頻點(diǎn)上的信噪比略大于B1的信噪比，且B1、B2數(shù)據(jù)的信噪比都高于L2的信噪比。

3 鐘 跳

GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)除了包含周跳和粗差，還包含接收機(jī)鐘跳。理論上接收機(jī)總是將內(nèi)部時(shí)鐘與GNSS時(shí)間同步，由于石英鐘的精度局限，此同步并不嚴(yán)格，為保持同步，需要周期地插入接收機(jī)的時(shí)鐘跳躍，這個(gè)跳躍則為鐘跳[4- 6]。鐘跳是干擾粗差和周跳探測(cè)的一個(gè)重要因素[7]，鐘跳與周跳十分類似，都會(huì)引起觀測(cè)數(shù)據(jù)的跳變，但兩者在原理和實(shí)質(zhì)上是不同的，鐘跳是接收機(jī)鐘差的突然變化，可以引起所有衛(wèi)星偽距或載波相位觀測(cè)值的同時(shí)跳變[8]。鐘跳能夠?qū)е卢F(xiàn)有的部分周跳探測(cè)方法失效，鐘跳探測(cè)的正確與否直接關(guān)系著非差數(shù)據(jù)處理的精度和效率，因此有必要在周跳探測(cè)之前消除時(shí)鐘跳躍對(duì)觀測(cè)量的影響[9]。

不同的接收機(jī)有兩種典型的鐘跳：頻繁跳躍和毫秒跳躍[10]。頻繁跳躍是在每個(gè)歷元對(duì)接收機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行修正，改正量一般較小，一般情況下可以不考慮；毫秒跳躍是在接收機(jī)鐘差達(dá)到一定數(shù)值時(shí)才進(jìn)行修正。本文主要是針對(duì)毫秒跳躍的接收機(jī)進(jìn)行鐘跳探測(cè)。

本文采用雙頻相位觀測(cè)值的O- C值進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)消電離層線性組合計(jì)算相位殘差值

(5)

毫秒鐘跳產(chǎn)生的相位周數(shù)可表示為

(6)

如果滿足條件

(7)

圖4 TOW2站BDS各軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)信噪比

圖5 GPS與BDS衛(wèi)星兩頻點(diǎn)數(shù)據(jù)信噪比

選取POL2測(cè)站2015年220 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以G05星與G15星為例，探測(cè)各衛(wèi)星載波相位觀測(cè)值的鐘跳情況。

圖6為POL2站G05與G15星載波相位觀測(cè)值鐘跳探測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出，G05星的載波相位觀測(cè)值在歷元105處相位殘差值res發(fā)生突變，此時(shí)發(fā)生鐘跳，鐘跳值為3 ms；G15星相位殘差值res變化較小，不存在鐘跳現(xiàn)象。

圖6 POL2站G05與G15星載波相位觀測(cè)值鐘跳探測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文依據(jù)GNSS數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量指標(biāo)，采用MGEX觀測(cè)站數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了GPS與BDS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)與信噪比。得出衛(wèi)星在高度角較低時(shí)，多路徑效應(yīng)值相對(duì)較大，當(dāng)高度角升高時(shí)，多路徑效應(yīng)明顯下降；BDS系統(tǒng)的 GEO衛(wèi)星由于其軌道的特殊性，高度角變化較小，多路徑變化較為穩(wěn)定；不論在B1頻點(diǎn)還是在B2頻點(diǎn)，BDS衛(wèi)星多路徑效應(yīng)均呈現(xiàn)出GEO

另外，多模 GNSS 接收機(jī)的內(nèi)部石英鐘不穩(wěn)定，易發(fā)生鐘跳。當(dāng)鐘跳發(fā)生時(shí)，從數(shù)據(jù)預(yù)處理的角度分析，應(yīng)先進(jìn)行鐘跳的探測(cè)與標(biāo)記，再進(jìn)行周跳探測(cè)。

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Quality Analysis of GNSS Data

LI Xiaoguang1,2,CHENG Pengfei2,CHENG Yingyan2,WAN Jun3

(1.School of Geomatics,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 2. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830,China;3. China Institute of Geo- technical Investigation and Surveying Co.Ltd., Beijing 100007,China)

The GNSS carrier phase observation value is affected by noise and the receiver clock jump, the cycle slip test sequence changes over time.To construct robust and sensitive test of cycle slip, satellite data of different system quality need to be analyzed, and the multi- path effect and signal- to- noise ratio are important indexes of the quality about observation data. This paper focuses on the analysis of the multipath effect and the signal- to- noise ratio of GPS and BDS satellites data; and proposed a method of receiver clock jump detection, which uses the O- C about dual frequency phase observation value and performs clock jump detection by using the ionosphere free linear combination .

GNSS;multi- path;signal- noiseratio;clock jump;MGEX

2016- 06- 21

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0501405); 國(guó)家自然科學(xué)基金(41374014); 國(guó)家公益性行業(yè)專項(xiàng)；測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201512011)

李曉光(1991—), 男，碩士生,主要從事BDS數(shù)據(jù)處理方面的研究。E- mail: 492647885@qq.com

李曉光，程鵬飛，成英燕,等.GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(3)：1- 4.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0071.

P228.4

A

0494- 0911(2017)03- 0001- 04