極區(qū)北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量特征分析

左 宗，陳明劍，李 瀅，姚 翔(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

極地石油、礦產(chǎn)等自然資源種類(lèi)繁多且儲(chǔ)量豐富，很多地區(qū)尚未被開(kāi)發(fā)，是人類(lèi)珍貴的能源基地。為了更好地進(jìn)行極地科考，爭(zhēng)取極地利益，我國(guó)需要自主可靠的極地導(dǎo)航定位服務(wù)[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)正按照“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略快速推進(jìn)，為我國(guó)的極區(qū)自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位創(chuàng)造了平臺(tái)。衛(wèi)星定位過(guò)程中，觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)受到各種不確定環(huán)境因素及系統(tǒng)因素等的影響，產(chǎn)生質(zhì)量上的差異。數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞將直接影響導(dǎo)航定位解算結(jié)果[2]。復(fù)雜的極地電磁環(huán)境和測(cè)站的高緯度分布，會(huì)對(duì)衛(wèi)星的幾何構(gòu)型、信噪比和多路徑效應(yīng)等造成一定影響[3]，電離層閃爍引起的電離層結(jié)構(gòu)變化也會(huì)改變GNSS在極地的定位性能[4]。為進(jìn)一步評(píng)估極地環(huán)境對(duì)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，本文以信噪比、多路徑效應(yīng)和電離層延遲變化率等作為數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)極地測(cè)站的GNSS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。研究結(jié)論對(duì)于認(rèn)識(shí)極地GNSS定位性能，提高極地GNSS測(cè)量的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。

1 評(píng)估內(nèi)容和方法

1.1 信噪比

信噪比(SNR)指接收的載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值。接收機(jī)載噪比通?？杀硎緸镃/N，即以1 Hz帶寬為參考的信噪比S/N。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)為弱信號(hào)，當(dāng)GPS C/A碼輸入功率為額定度功率-130 dBm時(shí)，接收機(jī)載噪比約為44 dB/Hz[5]。輸入功率小于額定度功率或衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋，信噪比值會(huì)相應(yīng)降低，不利于信號(hào)檢測(cè)。信噪比可用于比較不同信道和衛(wèi)星間的信號(hào)強(qiáng)度，評(píng)估環(huán)境干擾的影響。相對(duì)中低緯度測(cè)站，極地觀測(cè)的GNSS信號(hào)受人為電磁活動(dòng)的干擾理應(yīng)更少。

1.2 多路徑效應(yīng)

接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)中包含有經(jīng)地物或建筑等表面反射到達(dá)接收機(jī)天線的間接信號(hào)。間接信號(hào)的路徑不一，使得觀測(cè)數(shù)據(jù)含有測(cè)距誤差。載波相位的波長(zhǎng)較短且一般不超過(guò)其波長(zhǎng)的1/4，量級(jí)上遠(yuǎn)小于偽距多路徑，而高反射場(chǎng)景下的偽距多路徑效應(yīng)可達(dá)到數(shù)米，故常?？珊雎暂d波相位多路徑效應(yīng)，利用載波相位和偽距組合觀測(cè)值求解偽距多路徑誤差[6]。f1、f2兩個(gè)不同頻點(diǎn)的多路徑誤差MP1和MP2可表示為

(1)

(2)

式中，P為偽距觀測(cè)值；φ為載波相位觀測(cè)值；ε為偽距觀測(cè)噪聲；λ為載波波長(zhǎng)；N為整周模糊度。

1.3 電離層延遲變化率與電離層閃爍

電離層延遲變化率反映了電離層延遲和電子含量變化的劇烈程度，是認(rèn)識(shí)電離層活動(dòng)的重要窗口。電離層延遲是位置解算中不可忽略的誤差項(xiàng)，需通過(guò)建?；虿罘址椒ㄏｋ婋x層延遲變化率不僅影響周跳探測(cè)的準(zhǔn)確程度，還影響用戶電離層改正信息的正確性和時(shí)效性，可作為周跳的判別條件[7]。

利用雙頻載波相位觀測(cè)量，電離層延遲可表示為

(3)

電離層延遲對(duì)應(yīng)歷元間作差可得到電離層延遲變化率，電離層延遲變化率在數(shù)據(jù)預(yù)處理中應(yīng)用廣泛，是較為常見(jiàn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。極地地區(qū)電離層閃爍現(xiàn)象較頻繁，會(huì)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)和運(yùn)控等造成影響，導(dǎo)致信號(hào)捕捉跟蹤困難、數(shù)據(jù)誤碼或丟失等[8]。電離層延遲變化率在一定程度上反映了電離層活動(dòng)對(duì)導(dǎo)航定位可能造成的影響，是極地GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中重要的指標(biāo)之一。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)對(duì)象選用了IGS高緯度測(cè)站(cas1、ohi3和reyk)和南極中山站2015年4月5日至10日連續(xù)采集的多頻多系統(tǒng)GNSS數(shù)據(jù)。觀測(cè)數(shù)據(jù)至少包括了北斗B1/B2和GPS L1//L2，采樣間隔為30 s。IGS測(cè)站數(shù)據(jù)均出自MGEX(multi-GNSS experiment)，采用LEIAR25天線。中山站衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集使用的接收機(jī)型號(hào)為GMR-4011，天線為L(zhǎng)EIAR25。IGS測(cè)站在高緯度的分布少且只有少部分能采集并提供北斗數(shù)據(jù)。為更準(zhǔn)確地體現(xiàn)高緯度的數(shù)據(jù)質(zhì)量特征，加入中低緯度IGS站(cut0)的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為對(duì)比，圖1為測(cè)站分布。

圖1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源測(cè)站分布

2.2 極地BDS信噪比特征分析

選取高緯度IGS站、中山站和cut0站2015年4月5日至10日的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析極地BDS不同軌道衛(wèi)星的信噪比特征及其隨時(shí)間的變化規(guī)律。以中山站4月5日的GNSS衛(wèi)星信噪比結(jié)果為例，cut0測(cè)站結(jié)果作為對(duì)比。圖2為中山站GNSS衛(wèi)星B1/L1頻點(diǎn)信噪比和B2/L2頻點(diǎn)信噪比的變化序列，圖3為cut0站GNSS衛(wèi)星B1/L1頻點(diǎn)信噪比和B2/L2頻點(diǎn)信噪比的變化序列。表1為IGS測(cè)站不同年積日的BDS衛(wèi)星信噪比誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖2 中山站GNSS衛(wèi)星不同頻點(diǎn)信噪比序列

圖3 cut0站GNSS衛(wèi)星不同頻點(diǎn)信噪比序列

表1 IGS測(cè)站不同年積日BDS信噪比統(tǒng)計(jì) dB/Hz

極地衛(wèi)星信號(hào)衰減更加嚴(yán)重，低緯測(cè)站衛(wèi)星信噪比在不同高度角條件的信噪比差異更明顯。從圖2、圖3和表1可以得到，極地測(cè)站BDS信噪比整體峰值相對(duì)低緯測(cè)站更小，對(duì)比cut0站衛(wèi)星信號(hào)信噪比結(jié)果，中山站衛(wèi)星信噪比峰值僅為50.5 dB/Hz。一般情況下，當(dāng)衛(wèi)星高度角較大，信噪比可達(dá)50～55 dB/Hz。中山站衛(wèi)星信號(hào)信噪比分布相對(duì)低緯測(cè)站更集中，L1頻點(diǎn)的信噪比大多分布在34～50 dB/Hz，L2頻點(diǎn)的信噪比大多分布在17～43 dB/Hz，L2頻點(diǎn)信噪比明顯低于L1頻點(diǎn)和B2頻點(diǎn)信噪比。極地測(cè)站觀測(cè)到的非靜止軌道衛(wèi)星信號(hào)信噪比隨時(shí)間變化更穩(wěn)定，地球靜止軌道衛(wèi)星信噪比序列存在較大波動(dòng)，可能與極地測(cè)站的低衛(wèi)星高度角和較少的人為電磁環(huán)境干擾有關(guān)。

2.3 極地BDS多路徑特征分析

選取高緯度IGS站、中山站和cut0站2015年4月5日至10日的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析在極地BDS不同軌道衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑誤差特征及其隨時(shí)間的變化規(guī)律。根據(jù)中山站GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果，圖4—圖6為中山站和cut0站BDS中GEO、IGSO和MEO衛(wèi)星多路徑和高度角隨時(shí)間的變化，表2為測(cè)站不同年積日的BDS多路徑誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 測(cè)站不同年積日BDS多路徑誤差統(tǒng)計(jì) dB/Hz

極地GNSS多路徑效應(yīng)受高度角影響較大，北斗多路徑效應(yīng)可能更加嚴(yán)重。從圖4—圖6可以看出，極地測(cè)站多路徑效應(yīng)隨衛(wèi)星高度角的變化呈現(xiàn)出規(guī)律性變化趨勢(shì)，與低緯度測(cè)站的衛(wèi)星多路徑效應(yīng)基本一致，但也呈現(xiàn)出明顯差異。GEO衛(wèi)星的多路徑誤差的偽距多路徑誤差峰值大，且多路徑序列很不穩(wěn)定。相對(duì)于低緯度測(cè)站，衛(wèi)星高度角逐漸增大至20°時(shí)，IGSO和MEO衛(wèi)星多路徑誤差序列變化趨于穩(wěn)定。從表2可以看出，并非所有高緯度測(cè)站的多路徑效應(yīng)都大，但可能出現(xiàn)非常嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)。極地中山站和cas1站的BDS多路徑效應(yīng)尤為明顯，甚至造成數(shù)米的偽距測(cè)量誤差，需要在數(shù)據(jù)預(yù)處理中予以剔除。

圖4 C02衛(wèi)星多路徑和高度角隨歷元變化趨勢(shì)圖

圖5 C06衛(wèi)星多路徑和高度角隨歷元變化

圖6 C12衛(wèi)星多路徑和高度角隨歷元變化

2.4 極地BDS電離層延遲變化率特征分析

為分析極地BDS不同軌道衛(wèi)星電離層延遲變化率的特征及其在空間上的變化規(guī)律，選取中山站2015年4月5日至10日的北斗衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖7表示中山站可觀測(cè)北斗衛(wèi)星電離層延遲變化率的相對(duì)變化，按坐標(biāo)軸方向依次錯(cuò)開(kāi)排列，衛(wèi)星截止高度角為10°。表3統(tǒng)計(jì)了2015年4月5日中山站所有可觀測(cè)衛(wèi)星的最大衛(wèi)星高度角。將各年積日分為8個(gè)時(shí)段(每個(gè)時(shí)段3 h)，表4統(tǒng)計(jì)了中山站2015年4月5日至10日各時(shí)段的所有北斗衛(wèi)星電離層延遲變化率最大值和標(biāo)準(zhǔn)差。

圖7 BDS衛(wèi)星電離層延遲變化率相對(duì)變化

表3 中山站北斗衛(wèi)星最大高度角統(tǒng)計(jì) (°)

表4 中山站各時(shí)段的BDS電離層延遲變化率統(tǒng)計(jì) m/min

極地測(cè)站不同軌道類(lèi)型衛(wèi)星間的電離層延遲變化率的變化趨勢(shì)不一致，一天內(nèi)各時(shí)段的電離層活動(dòng)劇烈程度不一，影響北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在極區(qū)的電離層延遲改正模型建立。從表3和圖7可以看出，極地測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)受電離層活動(dòng)影響較大，電離層延遲變化率序列波動(dòng)明顯，其中IGSO衛(wèi)星電離層延遲變化更劇烈；極地地區(qū)的GEO衛(wèi)星利用率較低，中山站C01和C03衛(wèi)星高度角低于10°。從表4可以看出，電離層延遲變化率在時(shí)間上的分布不具備規(guī)律性，各個(gè)時(shí)段均有可能出現(xiàn)較大的電離層延遲變化。在第4時(shí)段(9～12時(shí))統(tǒng)計(jì)的電離層延遲變化率最大值和標(biāo)準(zhǔn)差最小，電離層發(fā)生劇烈活動(dòng)的概率相對(duì)小。在第1時(shí)段(0～3時(shí))和第7時(shí)段(18～21時(shí))的電離層延遲變化率統(tǒng)計(jì)結(jié)果最大，該時(shí)段很有可能發(fā)生電離層閃爍等現(xiàn)象。利用電離層活動(dòng)中BDS不同軌道衛(wèi)星電離層延遲變化率的不同性能，可進(jìn)一步評(píng)估極地電離層活動(dòng)對(duì)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量和衛(wèi)星大地測(cè)量的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)2015年4月極地可用的北斗衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)(包括南極中山站自主采集的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù))進(jìn)行了質(zhì)量分析，整體刻畫(huà)了極地BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量特征。針對(duì)極地電離層閃爍特性，提出了將電離層延遲變化率應(yīng)用于電離層閃爍的判定。研究發(fā)現(xiàn)：極區(qū)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量主要受高度角影響，信噪比水平整體偏低，靜止軌道衛(wèi)星的信號(hào)更易受干擾；在極圈內(nèi)的cas1站和中山站，多路徑效應(yīng)非常嚴(yán)重，特別是對(duì)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，造成了較大的偽距測(cè)量誤差；極地衛(wèi)星導(dǎo)航定位性能受電離層活動(dòng)影響較大，電離層延遲變化率時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)特性可反映不同時(shí)段的電離層活動(dòng)劇烈程度。

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