超高層復(fù)雜環(huán)境下BDS/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

晏 南

(山西省地質(zhì)測繪院，山西 運(yùn)城 044000)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國重要的基礎(chǔ)設(shè)施，2012年建設(shè)完成的北斗二號已經(jīng)在我國各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，并且表現(xiàn)出北斗獨特的優(yōu)勢[1-2]。根據(jù)我國基本國情，北斗系統(tǒng)建設(shè)分三步走戰(zhàn)略，第一步于2000年建設(shè)完成北斗一號即雙星定位系統(tǒng)，向我國提供導(dǎo)航與定位服務(wù)，第二步于2012年建設(shè)完成北斗二號即區(qū)域定位系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供導(dǎo)航與定位服務(wù)，第三步于2020年完成北斗三號建設(shè)即全球定位系統(tǒng)，向全球提供導(dǎo)航與定位服務(wù)，目前已經(jīng)建設(shè)完成的北斗二號被廣泛應(yīng)用于建筑物的變形監(jiān)測中[3-5]。在對北斗監(jiān)測數(shù)據(jù)處理之前，需要對北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析，因為北斗定位的可靠性與可行性很大程度上取決于北斗的數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時由于北斗與GPS相比具有混合星座、工作衛(wèi)星播發(fā)三頻信號以及播發(fā)短報文的特點，北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量將與GPS呈現(xiàn)出差異性[6-7]。目前國內(nèi)部分專家學(xué)者針對北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了分析，陳明等[8]基于國家基準(zhǔn)站分析了北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)北斗的多路徑效應(yīng)大于GPS的，信噪比整體狀況相比GPS較差；劉青鋒等[9]分析了北斗二代雙頻數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)北斗衛(wèi)星多路徑逐漸增大，表現(xiàn)出B1大于B2，而在信噪比方面，則表現(xiàn)出B2大于B1；左宗等[10]分析了極地環(huán)境下的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)極地地區(qū)的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量受高度角影響較大，多路徑效應(yīng)明顯，信噪比低于低緯度地區(qū)，且受電離層影響大；吳春節(jié)等[11]對比分析了BDS/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)北斗的B1頻率的多路徑大于B2頻率，且MEO大于IGSO大于GEO，北斗的信噪比與GPS的信噪比與多路徑呈負(fù)相關(guān)。

針對北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文基于超高層變形監(jiān)測實測數(shù)據(jù)，從衛(wèi)星可見數(shù)、PDOP值、信噪比以及多路徑幾個方面對比分析了BDS/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)

北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞很大程度上會影響北斗的定位精度，因此在進(jìn)行北斗數(shù)據(jù)處理之前對北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析是必不可少的。常規(guī)的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)有衛(wèi)星可見數(shù)、DOP值、數(shù)據(jù)完整率、信噪比、多路徑等。本文選取其中的衛(wèi)星可見數(shù)、PDOP值、信噪比以及多路徑4個指標(biāo)對BDS/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析。

1.1 衛(wèi)星可見數(shù)與PDOP值

衛(wèi)星可見數(shù)是指觀測時段內(nèi)接收機(jī)天線可以接收到多少顆衛(wèi)星發(fā)射的信號，所接收到的衛(wèi)星數(shù)越多，定位精度越高。PDOP值是指位置精度衰減因子，是表示衛(wèi)星空間位置分布狀況的指標(biāo)，衛(wèi)星空間幾何分布越好，PDOP值越小，定位精度越高。

1.2 信噪比

信噪比是載波信號強(qiáng)度與觀測噪聲的比值，是反映載波觀測信號強(qiáng)度的指標(biāo)，也是評估數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。信噪比主要受到天線增益參數(shù)、接收機(jī)中相關(guān)器的狀態(tài)等影響，它可以直接從觀測值文件中獲取。

1.3 多路徑

多路徑效應(yīng)是指接收機(jī)天線在接收到衛(wèi)星直接發(fā)射信號的同時還會接收到經(jīng)過傳播路徑上地物反射的信號，多種信號疊加而產(chǎn)生的延遲。特別是在進(jìn)行建筑物變形監(jiān)測時，監(jiān)測點通常布設(shè)位置周圍地物較多，更容易受到多路徑效應(yīng)的影響，嚴(yán)重影響了測量的精度。本文采用無幾何無電離層方法計算多路徑，公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，MP表示多路徑；P偽距觀測值；L表示載波觀測值；m表示載波多路徑效應(yīng)；n表示整周模糊度；λ表示波長；f表示頻率；序號表示頻率號。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

本文采用的數(shù)據(jù)為超高層變形監(jiān)測實測數(shù)據(jù)，接收機(jī)采用華測1758類型接收機(jī)，可以接收到北斗雙頻信號，采樣率設(shè)置為1 s，為了減小多路徑效應(yīng)的影響，高度角設(shè)置為15°?？紤]到數(shù)據(jù)質(zhì)量是定位的先決條件，對超高層環(huán)境下的BDS/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估。限于篇幅原因，選取不同的類型的衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，北斗GEO衛(wèi)星選取C01，IGSO衛(wèi)星選取C08，MEO衛(wèi)星選取C14，GPS選取G06。

2.1 衛(wèi)星可見數(shù)與PDOP值

如圖1所示，在進(jìn)行超高層變形監(jiān)測時，BDS與GPS衛(wèi)星可見數(shù)基本一致，只是在整個監(jiān)測過程中，BDS衛(wèi)星可見數(shù)比較穩(wěn)定，GPS衛(wèi)星可見數(shù)變化較大。如圖2所示，在超高層環(huán)境下，BDS的PDOP值要大于GPS，證明監(jiān)測過程中BDS的衛(wèi)星空間分布狀況相比GPS要差。

圖1 衛(wèi)星可見數(shù)

圖2 PDOP值

2.2 信噪比

如圖3-圖5和表1所示，GEO衛(wèi)星屬于靜止軌道衛(wèi)星，因此其高度角和信噪比變化很小，MEO和IGSO衛(wèi)星的B1頻率和B2頻率的信噪比基本一致，二者B1頻率的信噪比比GPS衛(wèi)星L1頻率的信噪比大1 dB-Hz左右，B2頻率的信噪比比L2頻率的信噪比大3 dB-Hz左右，證明BDS整體的信號強(qiáng)度要大于GPS的信號強(qiáng)度。

圖3 BDS衛(wèi)星B1頻率信噪比

圖4 BDS衛(wèi)星B2頻率信噪比

圖5 GPS衛(wèi)星G06信噪比

表1 平均信噪比統(tǒng)計/dB-Hz

2.3 多路徑

如圖6-圖8所示，GEO由于是靜止軌道衛(wèi)星，因此多路徑隨高度角的變化較小，且相比于其他衛(wèi)星多路徑效應(yīng)較小。其他衛(wèi)星的多路徑隨著高度角的增大而減小，在高度角30°之前，BDS衛(wèi)星B1和B2頻率、GPS衛(wèi)星L1和L2頻率的多路徑效應(yīng)達(dá)到了2 m，之后逐漸減小，穩(wěn)定在1 m左右，同時發(fā)現(xiàn)在BDS衛(wèi)星的B1和B2頻率中存在系統(tǒng)偏差，尤其是在MEO衛(wèi)星中這種偏差最為明顯，但是在GPS衛(wèi)星的L1和L2兩個頻率中沒有觀測到這種偏差，這對偽距定位有著重要意義。

圖6 BDS衛(wèi)星B1頻率多路徑

圖7 BDS衛(wèi)星B2頻率多路徑

圖8 GPS衛(wèi)星G06多路徑

3 結(jié) 語

本文基于超高層變形監(jiān)測實測數(shù)據(jù)對比分析了BDS/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)在超高層環(huán)境下：

(1)BDS衛(wèi)星可見數(shù)與GPS基本一致，BDS相比于GPS衛(wèi)星可見數(shù)較穩(wěn)定，但是BDS的PDOP值大于GPS的PDOP值，表明當(dāng)前情況下BDS衛(wèi)星空間分布狀況相比GPS較差。

(2)BDS衛(wèi)星信噪比的整體情況要優(yōu)于GPS，尤其是B2頻率表現(xiàn)得最為明顯，證明超高層環(huán)境下BDS衛(wèi)星信號強(qiáng)度優(yōu)于GPS，抗噪聲干擾能力較強(qiáng)。

(3)在高度角30°以前，BDS與GPS衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)較大，在2 m左右，之后逐漸減小，穩(wěn)定在1 m左右，同時發(fā)現(xiàn)BDS衛(wèi)星中存在系統(tǒng)偏差，但是GPS衛(wèi)星中不存在這類系統(tǒng)偏差。

通過對超高層環(huán)境下的BDS/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估，通過分析BDS與GPS的各項數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)，為超高層變形監(jiān)測的方案設(shè)計以及數(shù)據(jù)處理方案設(shè)計提供一個可靠的數(shù)據(jù)支撐。