基于Anubis的北斗觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

丁志鵬 賀凱飛 邱立杰 韋永僧

1 中國石油大學(xué)(華東)海洋與空間信息學(xué)院，青島市長江西路66號，266580

目前針對BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核的研究很多，Cai等[1]基于零基線雙差方法分析BDS-2的噪聲及多路徑效應(yīng)，結(jié)果表明，B1頻段的偽距多路徑誤差最大，均值達(dá)到0.36 cm；Yang等[2]介紹了BDS-3系統(tǒng)的基本性能，并提出改進(jìn)定位、導(dǎo)航及授時業(yè)務(wù)的方法；Zhu等[3]通過分析BDS-3的新信號B1C及B2a發(fā)現(xiàn)，其定位性能與GPS及Galileo相當(dāng)，但這些研究主要是針對C37以下的星座展開的。為評估BDS-3衛(wèi)星組網(wǎng)完成后的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文選取亞太及境外其他地區(qū)共5個測站連續(xù)10 d的觀測數(shù)據(jù)，使用Anubis軟件[4]，從多路徑誤差、數(shù)據(jù)完整率及周跳等方面進(jìn)行分析，并利用可視化腳本對BDS和GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度對比。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

選取5個MGEX連續(xù)跟蹤站2020年doy210～219的觀測數(shù)據(jù)(為更好地分析北斗的全球定位性能，選擇的5個測站中有2個測站在中國境內(nèi)(URUM，WUH2)，另外3個測站在國外(POTS,SGOC,SUTM ))，利用Anubis軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核。具體的測站信息如表1所示，測站數(shù)據(jù)的采樣間隔為30 s。

表1 測站信息

將處理得到的連續(xù)10 d的質(zhì)量檢核結(jié)果中數(shù)據(jù)利用率及多路徑效應(yīng)取平均值，得到表2。表中，HavEp與UseEp分別表示理論歷元數(shù)與有效歷元數(shù)，MP表示多路徑誤差，其下標(biāo)分別對應(yīng)不同頻段，CSR為周跳比。參與計(jì)算的GPS平均衛(wèi)星數(shù)為30顆，BDS平均衛(wèi)星數(shù)為29顆，包含13顆BDS-2衛(wèi)星和16顆BDS-3衛(wèi)星。

由表2可知，在數(shù)據(jù)完整率方面，5個測站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量均較好，BDS數(shù)據(jù)的利用率均為100%；GPS方面，除POTS站外，其他站點(diǎn)的數(shù)據(jù)利用率都在97%以上。2個系統(tǒng)的多路徑誤差均低于55 cm，GPS中多路徑誤差最高的為SGOC站，MP2達(dá)到32.27 cm；BDS的多路徑誤差最大值出現(xiàn)在POTS站，MP2達(dá)到了52.16 cm。整體來看，BDS系統(tǒng)各個頻段的多路徑效應(yīng)都比GPS表現(xiàn)差。在周跳比方面，2個系統(tǒng)除URUM站的數(shù)據(jù)略高外，其他各站均低于1，符合規(guī)范要求。

表2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2 數(shù)據(jù)可視化分析

為更好地研究BDS的數(shù)據(jù)質(zhì)量，對檢核結(jié)果進(jìn)行可視化分析，并著重觀察C37以上BDS的數(shù)據(jù)質(zhì)量狀況。

2.1 星座運(yùn)行軌跡及可見衛(wèi)星數(shù)

圖1為2個系統(tǒng)POTS站2020年doy210的星座運(yùn)行軌跡示意圖，圖中橫坐標(biāo)為衛(wèi)星方位角，縱坐標(biāo)為高度角。從圖中可以看出，隨著BDS-3的建成，BDS系統(tǒng)的天空軌跡構(gòu)型更加完整，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座已逐漸完善，服務(wù)由區(qū)域性向全球性轉(zhuǎn)變。與BDS-2衛(wèi)星相比，其星座構(gòu)型更加密集和均勻。

圖1 星座運(yùn)行軌跡Fig.1 Constellation trajectory

圖2為測站具體的可見衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計(jì)，圖中橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為接收機(jī)可跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)，其中多頻用彩色表示，單頻用黑色表示。由圖2可知，WUH2站BDS全部可見衛(wèi)星數(shù)大多數(shù)時段為15顆，最少也達(dá)到12顆；而每個測段平均觀測到的GPS衛(wèi)星數(shù)僅有8顆左右。即使是國外的POST站，在BDS-3衛(wèi)星提供在軌服務(wù)后，記錄到的衛(wèi)星數(shù)最高也可達(dá)到14顆，最少有9顆。同一時段所觀測到的BDS衛(wèi)星平均數(shù)比GPS多，可以增強(qiáng)其星座的幾何結(jié)構(gòu)，提高定位精度。

圖2 多/單衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)Fig.2 Multiple/single satellite statistics

2.2 數(shù)據(jù)可用歷元及周跳數(shù)量

圖3為2個系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核結(jié)果的匯總信息，主要包括數(shù)據(jù)的完整率、剔除的觀測數(shù)據(jù)及由于衛(wèi)星失鎖造成的周跳數(shù)量，圖中橙色代表BDS系統(tǒng)，綠色代表GPS系統(tǒng)。從圖3(a)可以看出，POTS站2個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)利用率都達(dá)到100%；從圖3(b)可以看出，BDS系統(tǒng)刪除的歷元數(shù)較GPS多，刪除率較高。圖3(c)中，GPS和BDS均出現(xiàn)不同程度的衛(wèi)星失鎖及信號擾動現(xiàn)象，反映該地區(qū)的觀測環(huán)境在變差。

圖3 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Observation data quality statistics

2.3 偽距多路徑效應(yīng)以及信噪比

圖4和5分別統(tǒng)計(jì)了2020年doy 210 POTS和WUH2站BDS所有頻段的偽距多路徑誤差時間序列。從圖中可以看出，POTS站各個頻段的多路徑誤差都比WUH2站對應(yīng)頻段的多路徑誤差波動大；對于同一站點(diǎn)，B1I(MP2)頻段偽距多路徑誤差最大，B3I和B2b(MP6和MP7)的多路徑誤差較小。考慮到B1I和B3I是過渡信號，能夠同時觀測到BDS-2和BDS-3衛(wèi)星，所以處理BDS雙頻數(shù)據(jù)時可優(yōu)先選用這2個頻段進(jìn)行組合計(jì)算。

圖4 POTS測站偽距多路徑誤差時間序列Fig.4 Time series diagram of pseudo distance multipath error at POTS station

圖5 WUH2測站偽距多路徑誤差時間序列Fig.5 Time series diagram of pseudo distance multipath errorat WUH2 station

選取GPS的M2X頻段和BDS的M2I頻段進(jìn)行多路徑效應(yīng)隨觀測時段的變化分析，結(jié)果如圖6所示，圖中點(diǎn)越密集，說明該時段的多路徑效應(yīng)越嚴(yán)重。可以看出，2個系統(tǒng)的點(diǎn)位密集程度相當(dāng)。以BDS(黃色)為例，相比于其他時段，12：00～14：00各波段上的點(diǎn)較稀疏，說明此時多路徑效應(yīng)的影響較小，有利于對觀測時段進(jìn)行把握，以獲得質(zhì)量更高的數(shù)據(jù)。

圖6 多路徑效應(yīng)時間序列Fig.6 Time series of multipath effect

針對C37以上BDS星座研究不充分的問題，選取C40、C44、C59三種不同軌道類型的衛(wèi)星進(jìn)行分析。圖7為WUH2站2020年doy210衛(wèi)星各頻段多路徑誤差隨高度角變化的情況。可以看出，IGSO和MEO衛(wèi)星的多路徑誤差都呈現(xiàn)隨高度角下降而發(fā)散的情況，MEO衛(wèi)星還因數(shù)據(jù)缺失比較嚴(yán)重出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷的情況；GEO衛(wèi)星的高度角較大且無明顯變化，對應(yīng)的多路徑誤差較小且變化平緩。對比所有頻段的多路徑效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在所有類型軌道的衛(wèi)星中，B1I頻段的多路徑效應(yīng)最嚴(yán)重。

圖7 WUH2站BDS-3衛(wèi)星多路徑誤差Fig.7 Multipath errors of BDS-3 satellites at WUH2 station

信噪比受觀測環(huán)境及接收機(jī)跟蹤捕獲信號能力的影響，能夠反映測距信號的水平。BDS不同軌道衛(wèi)星各頻段的信噪比隨高度角的變化情況如圖8所示。從圖中可以看出，IGSO和MEO衛(wèi)星隨高度角的增大，其信噪比也逐漸變大，在22～60 dB-Hz范圍內(nèi)變化；因GEO衛(wèi)星的高度角穩(wěn)定，2個頻段的信噪比變化不明顯，在46～48 dB-Hz范圍內(nèi)波動，對于 BDS-3的IGSO和MEO衛(wèi)星，B1I 頻段信噪比要低于其他頻段，B2b和B2a+B2b頻段的信噪比較高。

圖8 WUH2站BDS-3衛(wèi)星信噪比Fig.8 Signal-to-noise ratio of BDS-3 satellites at WUH2 station

2.4 偽距單點(diǎn)定位

圖9為偏差氣泡圖，用來表示各個方位偽距單點(diǎn)定位的精度偏差情況，圖形中心為0 m偏差，距離中心越遠(yuǎn)，半徑越大，說明點(diǎn)位偏差越嚴(yán)重。

以國內(nèi)外2個測站為例進(jìn)行分析，選取2020年doy 215的POTS和WUH2站數(shù)據(jù)處理結(jié)果。從圖9可以看出，對于境外的測站，BDS的點(diǎn)相對于GPS更加分散；而對于亞太地區(qū)，BDS與GPS的點(diǎn)位都比較集中，說明點(diǎn)位偏差不大，二者的定位性能相當(dāng)。

圖9 偏差氣泡圖Fig.9 Deviation bubble chart

3 結(jié) 語

本文選取了國內(nèi)外5個MGEX跟蹤站連續(xù)10 d的觀測數(shù)據(jù)，利用Anubis軟件，從數(shù)據(jù)完整率、周跳和多路徑效應(yīng)等方面對GPS和BDS的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢核，結(jié)果表明：

1) 所有測站中，BDS數(shù)據(jù)利用率為100%，GPS除POTS站為77.35%外，其他測站均大于97%，滿足規(guī)范要求；BDS的MP比GPS略大，2個系統(tǒng)的MP值均小于55 cm；周跳比除URUM站外，其他4個測站均小于1。

2) 隨著BDS-3在全球布網(wǎng)的完成，BDS系統(tǒng)的天空軌跡密集且分布均勻，可見衛(wèi)星數(shù)增多，偽距單點(diǎn)定位精度與GPS相當(dāng)。

3) BDS-3的GEO衛(wèi)星高度角較大且無明顯變化，對應(yīng)的多路徑誤差較小且變化平緩。IGSO和MEO衛(wèi)星的多路徑誤差呈現(xiàn)出隨高度角減小而發(fā)散的情況，而隨著高度角的增大，兩者的信噪比也逐漸增大；GEO衛(wèi)星的高度角穩(wěn)定，其B1I和B3I頻段的信噪比變化不明顯，都在46～48 dB-Hz范圍內(nèi)。對于所有頻段來說，B1I(MP2)的偽距多路徑誤差最大、信噪比最低。