BDS/Galileo系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

譚理慶,黃亮,杜仲進(jìn),葉世榕,夏鳳雨

(1.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430079; 2.中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)研究所,北京 100028; 3.福建省測(cè)繪院,福建 福州 350003)

0 引 言

較早建成的美國(guó)GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)一直在導(dǎo)航定位領(lǐng)域起著重要作用．近年來(lái),隨著導(dǎo)航系統(tǒng)重要性的提升及導(dǎo)航衛(wèi)星事業(yè)的飛速發(fā)展,許多國(guó)家和地區(qū)也紛紛建立起自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),目前主要有中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)、歐盟的Galileo(下文簡(jiǎn)寫(xiě)為GAL)系統(tǒng),印度的NavIC系統(tǒng)及日本的QZSS系統(tǒng)．其中中國(guó)的BDS及歐盟的GAL系統(tǒng)發(fā)展最為迅速,BDS在2018年已基本完成系統(tǒng)建設(shè),開(kāi)始提供全球服務(wù),正式邁入全球時(shí)代;隨著2018年最后4顆伽利略衛(wèi)星的發(fā)射并進(jìn)入預(yù)定軌道,標(biāo)志著GAL系統(tǒng)完成組網(wǎng)．可以預(yù)見(jiàn),BDS及GAL系統(tǒng)不久將在全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域起著重要作用．觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接關(guān)系到BDS/GAL系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、可用性及定位的精度,并間接影響到兩系統(tǒng)的全球化應(yīng)用進(jìn)程,因而對(duì)BDS/GAL系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估是一個(gè)很有意義且必要的工作．

目前在觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)及預(yù)處理方面的軟件主要有:TEQC、GFZRNX、BNC、G-nut/Anubis等[1]．由UNAVCO Facility研發(fā)的TEQC軟件只能檢核GPS/GLONASS雙系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù),無(wú)法處理BDS/GAL系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)且不能處理RINEX 3.XX版本格式數(shù)據(jù)[2];德國(guó)地學(xué)中心研發(fā)的GFZRNX軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、簡(jiǎn)單的質(zhì)量檢核和統(tǒng)計(jì),但沒(méi)有相應(yīng)的可視化程序[3-4];由GNSS Data Center(GDC)研發(fā)的BKG Ntrip Client(BNC)可以進(jìn)行基本質(zhì)量檢核,但目前主要針對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)、頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析,未對(duì)新信號(hào)、新頻點(diǎn)的特性展開(kāi)分析[5];由捷克國(guó)家大地測(cè)量、地形與地圖制圖研究所開(kāi)發(fā)的G-nut/Anubis軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS、GLONASS、GAL、BDS、SBAS、QZSS和NavIC系統(tǒng)多頻點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢核與分析,并配有相應(yīng)可視化程序[6-8]．本文采用G-nut/Anubis軟件對(duì)BDS/GAL系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)分析,本文處理數(shù)據(jù)的配置文件部分參數(shù)如表1所示．

表1 配置文件參數(shù)

1 數(shù)據(jù)分析指標(biāo)及原理

本文主要從數(shù)據(jù)可用率、數(shù)據(jù)完整率、偽距多路徑、周跳數(shù)及信噪比五個(gè)方面來(lái)綜合評(píng)估BDS/GAL系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量．

1.1 數(shù)據(jù)可用率

觀測(cè)數(shù)據(jù)的可用性是任何全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)應(yīng)用的先決條件,也是衡量衛(wèi)星星座是否具有全球服務(wù)能力的重要指標(biāo)[9]．在G-Nut/Anubis軟件中站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)可用率定義為

(1)

式中：Rua表示數(shù)據(jù)可用率；expEp表示使用預(yù)定義的采樣間隔在一段時(shí)間內(nèi)的預(yù)期觀測(cè)歷元數(shù);UseEp表示相應(yīng)星座至少4顆衛(wèi)星可見(jiàn)并具有雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)的觀測(cè)歷元數(shù)．

1.2 數(shù)據(jù)完整率

觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及其他應(yīng)用服務(wù)的前提,也是評(píng)估GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要綜合性指標(biāo)．?dāng)?shù)據(jù)完整率不僅受接收機(jī)性能、衛(wèi)星工作性能的影響,還受觀測(cè)站周圍環(huán)境的制約[10]．?dāng)?shù)據(jù)完整率可由式(2)計(jì)算:

(2)

式中：RCP為數(shù)據(jù)完整率；expObs為在給定采樣間隔的觀測(cè)時(shí)段內(nèi),特定波段和信號(hào)的預(yù)期觀測(cè)數(shù)；HavObs表示觀測(cè)文件中的實(shí)際記錄觀測(cè)數(shù)．

1.3 偽距多路徑

經(jīng)測(cè)站周圍物體反射后的衛(wèi)星信號(hào),和直接來(lái)自衛(wèi)星的直射信號(hào)一起進(jìn)入接收機(jī)天線并產(chǎn)生干涉,導(dǎo)致觀測(cè)值偏離真值,觀測(cè)值與真值的差值即多路徑誤差．多路徑效應(yīng)將嚴(yán)重?fù)p害GNSS測(cè)量精度,嚴(yán)重時(shí)還將引起信號(hào)的失鎖．偽距觀測(cè)值的多路徑效應(yīng)最大可達(dá)到0.5個(gè)碼元寬度,而載波相位的波長(zhǎng)約為偽距的1/1000,載波相位觀測(cè)值的多路徑效應(yīng)誤差一般不超1/4波長(zhǎng),因而偽距多路徑誤差要比載波相位多路徑誤差大得多,約為其200倍,載波相位觀測(cè)值的多路徑影響可以忽略[11]．G-Nut/Anubis在對(duì)偽距多路徑效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用了新的通用公式,通過(guò)載波相位觀測(cè)值和偽距觀測(cè)值線性組合求得所有頻率偽距的多路徑誤差,計(jì)算公式具體如下[12]:

急性心肌梗死患者經(jīng)冠脈介入術(shù)后惡性心律失常的危險(xiǎn)因素分析………………… 徐遼杭 程震鋒 李國(guó)洪 等（2）199

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLj，

(3)

(4)

1.4 周跳數(shù)

載波相位觀測(cè)值中的整周計(jì)數(shù)暫時(shí)中斷出現(xiàn)系統(tǒng)偏差,而不足一整周的部分仍然保持正確的現(xiàn)象,稱為周跳[13]．在一定觀測(cè)時(shí)間內(nèi),載波相位觀測(cè)量發(fā)生周跳次數(shù)即為周跳數(shù)．周跳數(shù)可作為載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo),在一定程度上反映了由于衛(wèi)星信號(hào)失鎖、電離層活動(dòng)強(qiáng)烈、信號(hào)信噪比過(guò)低等導(dǎo)致載波相位觀測(cè)值發(fā)生跳變的情況,跳變?cè)絽柡?載波相位觀測(cè)值質(zhì)量越差．G-nut/Anubis軟件中探測(cè)周跳的方法是利用偽距、載波觀測(cè)值進(jìn)行Geometry-free(LG組合)、Melbourne-Wubbena(MW組合),并利用組合值在歷元間求差,當(dāng)差值大于給定閾值則認(rèn)為該歷元發(fā)生周跳[14]．

1.5 信噪比

信噪比表示接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)的功率與噪聲功率的比值,通常用載噪功率密度比(C/N0)表示,單位dB·Hz．信噪比是反映載波相位觀測(cè)質(zhì)量的重要指標(biāo),也是反映接收機(jī)信號(hào)搜索、跟蹤及觀測(cè)值定位解算質(zhì)量的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)．天線增益參數(shù)、接收機(jī)中相關(guān)器的狀態(tài)、多路徑效應(yīng)、接收機(jī)內(nèi)部抑制噪聲的能力等因素都會(huì)對(duì)信噪比造成影響[15]．信噪比越大,表示衛(wèi)星信號(hào)越好,接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)的效果越好．

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為了評(píng)估BDS/GAL系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,本文選取了21個(gè)分布在全球各不同地區(qū)MGEX跟蹤站,跟蹤站分布如圖1所示．并選取各跟蹤站2019年年積日066—076,采樣間隔為30 s的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析,各跟蹤站接收機(jī)、天線類型如表2所示．表3示出了本次實(shí)驗(yàn)中各系統(tǒng)頻段及其相應(yīng)多路徑,各頻段上頻點(diǎn)及頻點(diǎn)信噪比對(duì)應(yīng)關(guān)系．

圖1 實(shí)驗(yàn)選用MGEX跟蹤站分布

表2 實(shí)驗(yàn)選用MGEX跟蹤站設(shè)備類型

表3 各系統(tǒng)頻段對(duì)應(yīng)的多路徑及相應(yīng)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信噪比

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

圖2 數(shù)據(jù)可用率平均值

根據(jù)接收機(jī)類型,分別統(tǒng)計(jì)相應(yīng)MGEX站各系統(tǒng)頻點(diǎn)上11天的數(shù)據(jù)完整率均值,由于相位和偽距觀測(cè)值的完整率十分相近,因此僅繪制各頻段相位觀測(cè)值的完整率．圖3、4分別示出配備TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5型接收機(jī)跟蹤站的數(shù)據(jù)完整率均值．從圖3、4可觀察到,GAL系統(tǒng)各頻段數(shù)據(jù)完整率十分接近,基本都在90%以上,整體優(yōu)于其他兩系統(tǒng)．BDS因接收機(jī)類型不同,數(shù)據(jù)完整率表現(xiàn)出很大差異性,但L2I整體優(yōu)于L6I、L7I．GPS系統(tǒng)中L1C、L2W具有較高的數(shù)據(jù)完整率,和GAL系統(tǒng)中各頻段值相近;在TRIMBLE NETR9跟蹤站上,L2頻段上L2X頻點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率低于L1C,但優(yōu)于相應(yīng)L5頻段上L5X頻點(diǎn);在SEPT POLARX5跟蹤站上,L2L數(shù)據(jù)完整率高于L5Q,但低于L1C．還可發(fā)現(xiàn)在TRIMBLE NETR9跟蹤站上,BDS L2I及L6I的數(shù)據(jù)完整率大多低于GPS L1C及L2W,但高于GPS L2X及L5X;在SEPT POLARX5跟蹤站上,GPS L1C及L2W的數(shù)據(jù)完整率稍高于BDS L2I及L7I,但GPS L2L及L5Q都低于BDS L6I．

圖3 TRIMBLE NETR9跟蹤站數(shù)據(jù)完整率均值

圖4 SEPT POLARX5跟蹤站數(shù)據(jù)完整率均值

各跟蹤站上BDS/GAL/GPS 11天發(fā)生周跳數(shù)均值如圖5所示．可以觀察到,GAL系統(tǒng)發(fā)生周跳數(shù)最小;大部分跟蹤站GPS周跳數(shù)都大于BDS．GAL系統(tǒng)周跳數(shù)最大的跟蹤站為OWMG,分析發(fā)現(xiàn)各頻段周跳數(shù)比較接近．GPS系統(tǒng)發(fā)生周跳較多的跟蹤站有UCAL、KZN2、POHN,分析表明周跳極大部分發(fā)生在L1C、L2W兩個(gè)頻點(diǎn)上．BDS系統(tǒng)發(fā)生周跳較多的跟蹤站有DYNG、JFNG、MAYG、MCHL、METG、TLSE、XMIS;分析發(fā)現(xiàn)各站周跳主要發(fā)生在BDS地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星上,且L2I、L7I兩個(gè)頻點(diǎn)上周跳數(shù)略大于L6I;DYNG、MCHL極大部分周跳發(fā)生在C02衛(wèi)星上,JFNG、TLSE、XMIS集中在CO5衛(wèi)星上,MAYG則集中在C03衛(wèi)星上,CO2、CO5衛(wèi)星共同導(dǎo)致METG站上周跳較多．

圖5 各跟蹤站周跳數(shù)均值

多徑效應(yīng)通常被認(rèn)為是隨機(jī)誤差,它們根據(jù)反射表面的特性而不同并且難以校正．多路徑效應(yīng)的出現(xiàn),會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)采集偽距值存在偏差,使定位結(jié)果不準(zhǔn)．圖6示出了跟蹤站各頻點(diǎn)11天多路徑效應(yīng)的平均值．從圖中可以發(fā)現(xiàn),極大部分跟蹤站BDS、GAL系統(tǒng)中各頻段多路徑效應(yīng)都在35 cm以下,GPS則在20～40 cm．BDS系統(tǒng)中B1頻段上多路徑效應(yīng)MP2最大,B3頻段上的多路徑效應(yīng)MP6比B2頻段上多路徑效應(yīng)MP7略?。瓽AL系統(tǒng)E5a、E5b兩個(gè)頻段多路徑效應(yīng)MP5、MP7大致相當(dāng),其值大多分布在30 cm上下;E1頻段多路徑效應(yīng)值MP1整體小于前兩個(gè)頻段,多數(shù)值在25 cm左右;E5頻段多路徑效應(yīng)MP8最小,所有值皆小于15 cm．GPS系統(tǒng)中L1頻段多路徑效應(yīng)MP1值最大,多數(shù)在30～46 cm;L2、L5頻段多路徑效應(yīng)MP2、MP5相差不大,大部分跟蹤站值在29 cm上下．從圖6中還可觀察到,GAL MP1值小于BDS MP2和GPS MP1值,后兩者在同一水平;GAL MP8是所有多路徑效應(yīng)值中最小的．

信噪比反映了衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量．圖7、8分別示出了配備TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5型接收機(jī)跟蹤站上各頻點(diǎn)11天的信噪比均值．觀察兩圖可以發(fā)現(xiàn),在兩型接收機(jī)跟蹤站上各系統(tǒng)信噪比值極其相似．以TRIMBLE NETR9跟蹤站為例,從圖7可以發(fā)現(xiàn),BDS三頻的信噪比大體相近,平均值均能達(dá)到40 dB·Hz 以上,分布在40～50 dB·Hz;GAL系統(tǒng)E5頻段上相應(yīng)信噪比S8X是該系統(tǒng)信噪比最大值,平均值能達(dá)45 dB·Hz以上;E1頻段上信噪比S1X是該系統(tǒng)中最小的,但平均值也能達(dá)40 dB·Hz;E5a頻段上信噪比S5X與E5b頻段上信噪比S7X相近．GPS系統(tǒng)中L2頻段上L2W信噪比最低,均值比30 dB·Hz略大;L5頻段信噪比S5X最高,均值在45～50 dB·Hz;L1頻段上信噪比S1C與L2頻段上信噪比S2X相差不大,均值在40～45 dB·Hz．

總體上GPS L5、GAL E5頻段信噪比相當(dāng),是所有頻段中較高的;GPS L2W頻點(diǎn)信噪比是所有頻點(diǎn)中最低的;BDS三頻,GAL系統(tǒng)中E5a、E5b,GPS中L1及L2頻段上L2X、L2L信噪比十分接近,在同一水平上．

圖6 各跟蹤站多路徑效應(yīng)均值

圖7 TRIMBLE NETR9跟蹤站信噪比均值

圖8 SEPT POLARX5跟蹤站信噪比均值

4 結(jié) 語(yǔ)

目前,中國(guó)的BDS已開(kāi)始提供全球定位服務(wù),歐盟GAL已全球組網(wǎng)完成．本文采用了21個(gè)分布在全球各地MGEX跟蹤站連續(xù)11天多系統(tǒng)多頻的觀測(cè)數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)可用率、數(shù)據(jù)完整率、周跳數(shù)、多路徑效應(yīng)、信噪比五方面詳細(xì)分析了BDS、GAL系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,并同已成熟許久的GPS系統(tǒng)在相應(yīng)方面進(jìn)行對(duì)比分析．分析結(jié)果表明:

1)BDS、GAL系統(tǒng)數(shù)據(jù)可用率與GPS系統(tǒng)基本一致,除個(gè)別跟蹤站外都能達(dá)到100%,這表明BDS、GAL系統(tǒng)已具備全球服務(wù)的能力．

2)GAL系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率、信噪比略高于BDS、GPS系統(tǒng),且多路徑效應(yīng)值和周跳數(shù)較小．這與GAL衛(wèi)星信號(hào)播發(fā)功率更高,并且在信號(hào)調(diào)制中采用了BOC的調(diào)制方式具有很大關(guān)系,相較于BDS/GPS大多采用BPSK或QPSK方式調(diào)制的信號(hào),具有更強(qiáng)抗干擾及多徑的能力并更加易于捕獲,使得接收到的衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量更高．

3)BDS在數(shù)據(jù)完整率方面因接收機(jī)類型原因表現(xiàn)出很大的差異性,BDS各頻點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率和GPS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)完整率高的頻點(diǎn)還有差距,但隨著B(niǎo)DS采用BOC方式新調(diào)制信號(hào)的使用,BDS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率一定會(huì)進(jìn)一步提高．

4)大部分跟蹤站BDS系統(tǒng)發(fā)生周跳數(shù)小于GPS系統(tǒng),BDS、GPS系統(tǒng)偽距多路徑效應(yīng)值上相差不大;在信噪比方面,BDS系統(tǒng)各頻點(diǎn)和GPS系統(tǒng)中頻點(diǎn)相當(dāng)甚至更好．

總體上,GAL系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量稍優(yōu)于BDS/GPS,BDS和GPS基本上處于同一水平．