MGEX站北斗數(shù)據質量分析和評估

符宏偉

(上海市測繪院，上海 200063)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)數(shù)據質量分析是進行BDS數(shù)據處理的重要前提，數(shù)據質量的優(yōu)劣將嚴重影響到最終定位的精度[1]，GNSS數(shù)據質量分析常用的軟件有TEQC、Anubis等[1-2]。國內很多專家對GNSS的數(shù)據質量進行了對比和分析，康朝虎等[3]和陳秀德等[4]介紹了Anubis軟件的主要功能，并基于該軟件分別分析了IGS站和MGEX站的GNSS數(shù)據質量，驗證了Anubis軟件的可行性。SPP定位的結果在一定程度上反映了觀測數(shù)據的質量，王乾[5]利用北斗雙頻信號數(shù)據進行SPP分析，結果表明水平方向定位精度優(yōu)于5 m，垂直方向優(yōu)于8 m。田江博[6]通過北斗B1、B2、B3組合的不同雙頻數(shù)據進行SPP定位分析，得出B1/B3組合時標準單點定位精度優(yōu)于其他組合。

為了進一步分析多模GNSS實驗跟蹤網(MGEX)的北斗數(shù)據質量，首先，使用Anubis軟件以WUH2、URUM的觀測數(shù)據為例，從衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星可見性、數(shù)據有效率、多路徑誤差、信噪比等方面分析MEGX站的北斗數(shù)據質量，然后，利用Net_Diff軟件進行SPP實驗，分析北斗不同雙頻組合的SPP定位精度。

1 數(shù)據質量分析指標

1.1 衛(wèi)星可見性

衛(wèi)星可見性是指地面觀測站觀測到的可用衛(wèi)星數(shù)量，只有觀測到4顆及4顆以上可用衛(wèi)星時，GNSS才能夠實現(xiàn)定位。當衛(wèi)星數(shù)量增多時能夠增強衛(wèi)星的空間幾何結構，增加觀測值數(shù)量，從而改善定位的精度[7-8]。

1.2 多路徑效應

多頻數(shù)據的多路徑值可以通過偽距和載波相位觀測值的線性組合求得。對于多路徑效應，2/3的IGS站MP1均值小于0.5 m，而2/3的MP2均值小于0.75 m[9]。Anubis軟件的多路徑效應值采用如下通用公式進行計算[10]。

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLi

(1)

(2)

式中，MP為偽距多路徑效應；P為雙頻偽距觀測值；L為雙頻載波相位觀測值；f為頻率；k，i和j為頻率索引。

1.3 數(shù)據有效率

數(shù)據有效率指實際觀測獲得的觀測數(shù)占預期整體應觀測到的觀測數(shù)的比例[9]。

1.4 信噪比

信噪比是衡量測距信號高低的指標，并且間接體現(xiàn)了載波相位的精度[11-12]。信噪比是載波信號強度與噪聲強度的比值，單位為 dB-Hz。

2 數(shù)據處理與分析

選取MGEX站武漢站(WUH2)、烏魯木齊站(URUM)2020年第125天的觀測數(shù)據，WUH2和URUM分別位于湖北武漢和新疆烏魯木齊，接收機類型均為JAVAD TRE_3，測站原始觀測文件為RINEX 3.04，采樣頻率為30 s，觀測數(shù)據中包含北斗二號(BDS-2)和北斗三號(BDS-3)的數(shù)據。BDS-2能夠發(fā)送B1I、B2I和B3I頻點的數(shù)據，BDS-3能夠發(fā)送B1I、B3I、B1c、B2a和B2b頻點的數(shù)據，BDS-2與BDS-3的數(shù)據質量進行對比時，應剔除對應的衛(wèi)星。本文B1I-2、B3I-2為BDS-2的頻點，B1I-3、B3I-3為BDS-3的頻點。

衛(wèi)星可見性是否滿足定位的最低要求是進行GNSS數(shù)據質量分析和定位的前提。分析原始觀測值各觀測歷元的衛(wèi)星數(shù)量和各衛(wèi)星PRN號在各時刻的可見性，分析結果如圖1所示。

圖1 WUH2和URUM第125天的衛(wèi)星數(shù)量和衛(wèi)星可見性

由圖1可知，WUH2站全天可見衛(wèi)星數(shù)量均在4顆以上，表明在任意時刻均能實現(xiàn)GNSS定位，URUM站大部分時刻都能接收到7顆以上衛(wèi)星，個別時刻可見衛(wèi)星低于4顆，表明URUM站在這些時刻不能實現(xiàn)GNSS定位；WUH2最少能接收15顆衛(wèi)星，最多能接收到22顆，URUM站最多能接收16顆衛(wèi)星，圖1(b)和圖1(d)分別為WUH2和URUM站各個衛(wèi)星在第125天各時間段的可見性。

數(shù)據有效性反映的是數(shù)據的可利用率，表1和表2分別為WUH2站和URUM站的數(shù)據有效性統(tǒng)計，表格中#_Expt為地平線上的預期觀測數(shù)，#_Have為地平線上的實際觀測值，%Ratio為#_Have與#_Expt的比例，Expt>10為10°高度角上的預期觀測數(shù)，Have>10為10°高度角上的實際觀測數(shù)，%Rt>10為Have>10與Expt>10的比例。

由表1和表2可知，WUH2站BDS-2的數(shù)據有效率明顯高于BDS-3的數(shù)據有效率，BDS-3各頻點水平線上的數(shù)據有效率只有68%～77%，而BDS-2各頻點水平線上的數(shù)據有效率在88%以上，其中,B1I-3頻點水平線上的數(shù)據有效率最低只有68.72%，高度角10°以上的數(shù)據有效率為87.92%，B3I-2頻點水平線上的數(shù)據有效率最高為91.40%，高度角10°以上的數(shù)據有效率為98.67%，URUM站BDS-3的數(shù)據整體有效率較高于BDS-2的數(shù)據有效率，B1I-3頻點的數(shù)據有效率最低為77.71%，高度角10°以上的數(shù)據有效率為93.38%，B3I-3頻點的數(shù)據有效率最高為92.49%，高度角10°以上的數(shù)據有效率為99.49%，說明BDS-2和BDS-3各頻點的數(shù)據有效率與測站位置和測站環(huán)境有關，與是否為BDS-3無關。

表1 WUH2北斗數(shù)據完整性統(tǒng)計

表2 URUM北斗數(shù)據完整性統(tǒng)計

多路徑誤差與測站周圍的觀測環(huán)境和接收機的結構、性能密切相關，分別統(tǒng)計WUH2和URUM站BDS-2和BDS-3不同頻點偽距多路徑誤差，如表3所示。

表3 多路徑誤差統(tǒng)計表/cm

由統(tǒng)計結果可知，URUM各頻點的多路徑誤差均小于WUH2各頻點的多路徑誤差，由于接收機類型均為JAVAD TRE_3，可見WUH2站周圍環(huán)境稍劣于URUM站的周圍環(huán)境，但兩個站各頻點多路徑誤差均小于50 cm，滿足站點對多路徑誤差的要求。兩個站B3I-2頻點的多路徑誤差最小，B1I-3頻點的多路徑誤差最大，B1I-2比B1I-3大2～3 cm，B3I-2比B3I-3小15～17 cm。為了分析BDS-2衛(wèi)星和BDS-3衛(wèi)星的多路徑值及多路徑誤差隨衛(wèi)星高度角的關系，選取WUH2站C02衛(wèi)星和C26衛(wèi)星，分別計算B1I和B3I頻點的多路徑值，結果如圖2所示。由圖可知，相對而言，C26衛(wèi)星B3I和B1I頻點的多路徑值比C02衛(wèi)星B3I和B1I頻點的多路徑值大，衛(wèi)星高度角變化比較大時，多路徑誤差值也變化比較大。

圖2 不同衛(wèi)星B1I和B3I頻點多路徑值

由表4可知，BDS-2和BDS-3各頻點的信噪比均在40 dB-Hz以上，BDS-3的B2a+b頻點的信噪比最大，BDS-3的B1I頻點和B3I頻點分別比BDS-2的B1I和B3I高2～3 dB-Hz，說明BDS-3的信號強度稍強于BDS-2的信號強度。

表4 信噪比SNR統(tǒng)計表/dB-Hz

為了比較BDS-2衛(wèi)星和BDS-3衛(wèi)星的信噪比值及多信噪比隨衛(wèi)星高度角的關系，選取WUH2站C02衛(wèi)星和C26衛(wèi)星，分別計算B1I和B3I頻點的信噪比值，結果如圖3所示。由圖可知，C26衛(wèi)星的信噪比和衛(wèi)星高度角成正相關，即衛(wèi)星高度角變小時，信噪比值也將變小。

圖3 不同衛(wèi)星B1I和B3I頻點信噪比值

Net_Diff為中科院上海天文臺張益澤博士開發(fā)的一款GNSS數(shù)據處理軟件，具有SPP/PPP/RTK等功能。通過使不同的雙頻組合參與SPP定位解算，由此分析其定位精度，在計算BDS-2的SPP定位結果時，剔除掉BDS-3的衛(wèi)星，同樣，在計算BDS-3的SPP定位結果時，剔除掉BDS-2的衛(wèi)星。

由Net_Diff軟件計算出的WUH2站和URUM站北斗數(shù)據不同雙頻組合SPP定位RMS結果可知，如表5所示，WUH2站各雙頻組合SPP定位精度較URUM站 SPP定位精度低，可能是由于WUH2數(shù)據有效率低，多路徑誤差大造成觀測數(shù)據質量比URUM站數(shù)據質量低的原因。另外，兩個站B1C和B2a的雙頻組合SPP定位精度最低，除B1C和B2a組合外，其他雙頻組合SPP定位精度RMS相差不大，不同雙頻組合WUH2站N方向RMS優(yōu)于3.5 m，最優(yōu)可達到3.027 m，E方向RMS優(yōu)于1 m，最優(yōu)可達到0.821 m，U方向RMS優(yōu)于3.2 m，最優(yōu)可達到2.514 m。URUM站N方向優(yōu)于0.5 m，最優(yōu)可達到0.426 m，E方向優(yōu)于0.6 m，最優(yōu)可達到0.459 m，U方向優(yōu)于1 m，最優(yōu)可達到0.695 m。

表5 WUH2和URUM不同雙頻組合SPP定位RMS統(tǒng)計表/m

由于BDS-2和BDS-3都能發(fā)射B1I和B3I頻點的信號，因此，分BDS-2和BDS-3統(tǒng)計B1I和B3I雙頻組合的SPP的RMS。

如表6所示，WUH2站BDS-2和BDS-3的B1I和B3I組合比單BDS-2的B1I和B3I組合N方向RMS提高了12.2%，U方向RMS提高了3.4%，E方向精度略有降低，比單BDS-3的B1I和B3I組合E方向提高了8.4%，U方向上提高了6.1%，N方向精度略有降低。URUM站BDS-2和BDS-3的B1I和B3I的組合比單BDS-2的B1I和B3I組合N方向RMS提高了32.9%，E方向提高了58%，U方向提高了48.8%，比單BDS-3的B1I和B3I組合N方向提高了52.5%，E方向提高了42.4%，U方向提高了67.6%，由此可得，與單BDS-2和單BDS-3相比，BDS-2和BDS-3組合能提高B1I和B3I雙頻組合的SPP定位精度，尤其是U方向上的精度。

表6 WUH2和URUM站B1和B3組合與單BDS-2和單BDS-3 SPP RMS對比統(tǒng)計表/m

3 結 論

本文利用Anubis軟件從衛(wèi)星可見性、數(shù)據有效率、多路徑、信噪比等方面分析了MGEX站WUH2和URUM站年積日第125天的BDS-3和BDS-2各頻點的數(shù)據質量。同時，利用Net_Diff軟件分析了不同雙頻組合的SPP定位精度，可以得到如下結論:

(1)WUH2站2020年年積日第125天全天滿足北斗定位所需衛(wèi)星數(shù)最少4顆的條件，而URUM站個別時刻無法利用北斗衛(wèi)星進行定位。

(2)數(shù)據有效率統(tǒng)計結果表明數(shù)據有效率與是否為BDS-2或BDS-3無關；兩個MGEX站各頻點多路徑值平均值均小于50 cm和信噪比值在40 dB-Hz以上，滿足相關要求。

(3)與單BDS-2和單BDS-3相比，BDS-2和BDS-3組合能提高B1I和B3I雙頻組合的SPP定位精度，尤其是U方向上的精度。