基于GNSS定位的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析研究

張玉英，張東升，李國柱，鄒盛，周應(yīng)慧

(1.云南塞維雅測繪技術(shù)有限公司，云南 昆明 650000； 2.云南海鉅地理信息技術(shù)有限公司，云南 昆明 650000；3.昭通學(xué)院地理科學(xué)與旅游學(xué)院，云南 昭通 657000)

1 引 言

隨著各國在政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域的快速高質(zhì)量發(fā)展，GNSS的建設(shè)已成為一種新的競爭趨勢，GNSS服務(wù)在海陸空三大空間站有著廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，多系統(tǒng)組合已成為一種趨勢，其中以GPS/BDS/GLONASS/Galileo為代表的全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)是重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與國防安全的諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。區(qū)域CORS系統(tǒng)是地方動態(tài)、連續(xù)、高精度、統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)框架，是比較重要的地理信息基礎(chǔ)設(shè)施，區(qū)域CORS在城鄉(xiāng)規(guī)劃、國土測繪、城市建設(shè)、土地管理等領(lǐng)域有較大的服務(wù)，在測繪地理信息行業(yè)能夠起到精準(zhǔn)快速的地理空間服務(wù)，給社會經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生了顯著的保障。其定位的時效性、精度和可靠性直接決定了GNSS在科學(xué)和工程上的應(yīng)用價值。在各項服務(wù)中GNSS數(shù)據(jù)的質(zhì)量將會對其精度及可靠性有一定的影響，特別是在進(jìn)行GNSS定位之前有必要對觀測的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評定分析。云南地處低緯度高海拔區(qū)域，具有電離層較為活躍等特點(diǎn)，這也將會影響到定位的精度，目前GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法成熟且數(shù)據(jù)資源豐富，而北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由于具有星座異構(gòu)分布等特點(diǎn)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量精度不均勻的特征，數(shù)據(jù)質(zhì)量缺少系統(tǒng)全面的質(zhì)量分析。針對這些特點(diǎn)本文結(jié)合TEQC和RTKLIB軟件選取了YNCORS 2018年年積日為032到059的11個測站分別從數(shù)據(jù)利用率、多路徑誤差、觀測數(shù)據(jù)與周跳比、信噪比等相關(guān)指標(biāo)對GPS系統(tǒng)、BDS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量分析評估研究。

2 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量誤差因素

從GNSS定位原理得出，GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量對GNSS精度及可靠性有較大的影響，其中衛(wèi)星端、接收機(jī)端以及在衛(wèi)星信號傳播過程中的質(zhì)量均對GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)[2，3]。在GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量中，影響定位的精度誤差主要因素有以下幾個方面：①衛(wèi)星端的誤差主要包括衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘誤差、天線相位纏繞及相對論效應(yīng)、衛(wèi)星天線相位中心偏差及變化等[4]；②信號傳播路徑的誤差，主要包括對流層延遲的誤差、電離層延遲的誤差、多路徑效應(yīng)的誤差等影響；③接收機(jī)端的誤差，主要包括接收機(jī)的鐘差、接收機(jī)的天線相位中心偏差及變化、地球潮汐、地球自轉(zhuǎn)、測站位置變化等；④其他誤差，如：模型誤差及永久變形誤差等[5，6]。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)方法

衡量GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量的指標(biāo)主要有：數(shù)據(jù)利用率、多路徑效應(yīng)、信噪比、周跳比、電離層延遲變化率等幾個方面。目前TEQC是全球公認(rèn)的功能強(qiáng)大簡易操作的GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，是由美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體UNAVCO Facility研發(fā)的，是一款為GNSS監(jiān)測站的數(shù)據(jù)管理服務(wù)研發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件。其具有對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換、進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯與數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查三大主要功能。當(dāng)前TEQC能夠支持如Unix、Linux、Windows等多個操作系統(tǒng)。是一款能夠進(jìn)行多系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件、是一款命令行操作的軟件，質(zhì)量檢查語句命令為“teqc + -nav *****.n_G *****.o_G”將會輸出后綴名為*.s的質(zhì)量核心結(jié)果文件，可對衛(wèi)星質(zhì)量情況進(jìn)行記錄統(tǒng)計。結(jié)果文件中sn1、sn2、sn5為信噪比；mp1、mp2為多路徑誤差；%為數(shù)據(jù)利用率；o/slps為周跳比[7]。RTKLIB是由日本東京海洋大學(xué)研發(fā)的一款用于GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的精密定位的開源程序包，可以支持GPS、BDS、GLONASS等GNSS多系統(tǒng)的定位解算軟件，支持靜態(tài)、動態(tài)多種定位模式。RTKLIB還能夠較好地兼容多種GNSS標(biāo)準(zhǔn)格式和協(xié)議、GNSS接收機(jī)專有數(shù)據(jù)協(xié)議格式和一些外部通信，可以滿足實時精密定位應(yīng)用需求。RTKLIB軟件還具有強(qiáng)大的圖形輸出功能，能夠?qū)υ加^測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星的skyplot圖、衛(wèi)星可見性、DOP值、多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星高度角進(jìn)行可視化，為GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析提供了可視化條件[8]。本文結(jié)合RTKLIB和TEQC進(jìn)行數(shù)據(jù)格式版本轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯以及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，分別對2018年積日為032～059的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理及質(zhì)量分析統(tǒng)計，并且對比分析了同一測站上GPS系統(tǒng)、BDS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用率、多路徑效應(yīng)、周跳、信噪比等質(zhì)量指標(biāo)并進(jìn)行統(tǒng)計，其中時間長度均為 24 h，數(shù)據(jù)采樣間隔均為 30 s。

4 實驗部分

在進(jìn)行GNSS定位穩(wěn)定性分析之前對GNSS原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析檢查是非常有必要的。低緯度高海拔地區(qū)由于其電離層較為活躍，在GNSS定位中也是影響精度的一個重要指標(biāo)，其數(shù)據(jù)質(zhì)量將會對可靠性有一定影響，基于此本實驗分別對GNSS原始觀測數(shù)據(jù)分別從信噪比、有效歷元數(shù)、多路徑效應(yīng)、周跳比等指標(biāo)進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，首先結(jié)合TEQC和RTKLIB對數(shù)據(jù)進(jìn)行版本格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯、質(zhì)量檢查等，對該區(qū)域選取的10個測站2018年年積日為032～059一個月的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和質(zhì)量分析并進(jìn)行統(tǒng)計，為了方便作圖將測站用(A、B、C……)進(jìn)行表示。實驗分析研究了同源測站上BDS、GPS、GLONASS三系統(tǒng)進(jìn)行多路徑效應(yīng)、數(shù)據(jù)利用率、信噪、周跳等質(zhì)量指標(biāo)且進(jìn)行了統(tǒng)計，時間長度基本為 24 h，數(shù)據(jù)采樣間隔為 30 s。

4.1 多路徑效應(yīng)分析

多路徑效應(yīng)反應(yīng)的是測站的觀測環(huán)境質(zhì)量，在GNSS數(shù)據(jù)觀測中主要是通過對偽距和載波進(jìn)行觀測，其中多路徑效應(yīng)誤差是GNSS主要誤差源之一。在GNSS定位中許多誤差是可以通過模型等加以改正的但是多路徑誤差的影響是無法用該方法來消除的，我們可以通過對偽距觀測值和載波相位觀測值來計算多路徑誤差。多路徑誤差計算公式為[9]。

(1)

其中，mp1是l1的多路徑誤差、mp2是l2的多路徑誤差，Nω1、Nω2是整周模糊度，ω1、ω2是偽距觀測值l1、l2是載波相位觀測值，單位均為m。

信號從衛(wèi)星端到接收機(jī)端由于多路徑的影響會有一定的延遲，對此許多學(xué)者進(jìn)行了深入研究得出偽距多路徑效應(yīng)要比載波相位大約200倍，其誤差影響最大能達(dá)到數(shù)十米，因此重點(diǎn)對偽距多路徑效應(yīng)進(jìn)行了研究[10]。而IGS給出多路徑誤差參考值為mp1<0.5，mp2<0.75，mp1、mp2值越小說明數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。

本實驗結(jié)合2018年年積日為032～038十個測站共7天的同源測站數(shù)據(jù)，為了能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同系統(tǒng)間多路徑誤差分析，圖1、圖2給出2018年年積日為032～038共7天的多路徑誤差平均值結(jié)果。

圖1 多路徑誤差MP1

圖2 多路徑誤差MP2

由圖1、圖2多路徑誤差得出，BDS跟GPS的mp1平均值均小于0.5、mp2平均值均小于0.75，與相同測站GLONASS相比C測站mp1值大于0.5、mp2值則在范圍內(nèi)，不過總體而言每個系統(tǒng)的多路徑誤差基本都在IGS站給出的范圍內(nèi)。

4.2 信噪比分析

多路徑的信號疊加到直接信號上導(dǎo)致了信噪比(SNR)的振蕩，多路徑效應(yīng)與信噪比振蕩值時間序列有著明顯相關(guān)性，可以利用信噪比觀測值進(jìn)行減小多路徑影響[11]。信噪比指載波信號強(qiáng)度和噪聲強(qiáng)度之比，其主要受接收機(jī)中相關(guān)器狀態(tài)、天線增益參數(shù)和多路徑效應(yīng)的影響，它能夠反映出載波相位觀測的質(zhì)量指標(biāo)之一。信噪比大小可以從觀測文件的原始數(shù)據(jù)中來獲取，其值一般在數(shù)值1～9之間，數(shù)值為1時表示載波的信號強(qiáng)度較弱，數(shù)值隨著增大表明信號強(qiáng)度越強(qiáng)，數(shù)值為9時表示信號強(qiáng)度較強(qiáng)。如果原始觀測數(shù)據(jù)中原始信號未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，則可以通過下式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[12]。

SNR-RNX=min(max(int(SN-RAW)，1)，9)

(2)

其中，SNR-RNX為標(biāo)準(zhǔn)化后的信號強(qiáng)度，int為取整數(shù)，SN-RAW為原始信號強(qiáng)度。

信噪比是反映載波觀測值質(zhì)量、接收機(jī)偽距的指標(biāo)。信噪比值越大，表明數(shù)據(jù)的質(zhì)量就越好。在無干擾的環(huán)境中性能良好的天線，信噪比一般能夠達(dá)到 42 dBHz。通過計算2018年年積日為032～038十個測站并進(jìn)行同源測站的數(shù)據(jù)信噪比計算分析得出，如圖3、圖4所示，

圖3 各測站信噪比snr-1

圖4 各測站信噪比snr-2

從圖3、圖4得出snr-1三系統(tǒng)信噪比值基本相當(dāng)，而從圖4得出snr-2中GLONASS信噪比值低于BDS跟GPS但是其值都在40以上，說明該研究區(qū)域各測站測信號比較平穩(wěn)。且BDS、GPS的snr-2值大于snr-1值，snr-2值BDS大于GLONASS的，由此推出信號頻率、高度角、衛(wèi)星類型等均會對信噪比有一定的影響。

4.3 周跳比分析

周跳比也是影響GNSS定位數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個重要因素，衛(wèi)星在歷元上任一頻率、任一載波相位上受到外界影響時發(fā)生跳變現(xiàn)象則視為衛(wèi)星在該歷元處發(fā)生了周跳。一般使用電離層殘差和M-W組合方法來進(jìn)行周跳探測，一般周跳比用觀測值(O)與周跳比值(Slps)來表示即O/Slps。IGS站提供的周跳比參考值為200，其中比值越大則跳變越小質(zhì)量越好，反之則跳變嚴(yán)重質(zhì)量越差。通常用CSR表示每千歷元周跳數(shù)，公式為：

(3)

各系統(tǒng)各頻點(diǎn)觀測到的衛(wèi)星總數(shù)都會影響到周跳比的大小，通過計算2018年年積日為032-059十個觀測站一個月的測站數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS、BDS、GLONASS之間的周跳比分析其值都大于200能夠滿足IGS站給出的參考值范圍。

4.4 電離層延遲變化率分析

頻率l1、l2之間的電離層延遲存在下列關(guān)系[13]：

(4)

若l1、l2的載波在對流層中傳播路徑相同，則l1、l2的電離層延遲可以表示為：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，χi、χi-1為對應(yīng)歷元(i、i-1)時刻，如果電離層延遲變化率(IOD)大于 400 cm/min時，表明在該歷元處發(fā)生了跳變。

4.5 數(shù)據(jù)利用率

數(shù)據(jù)利用率是反映觀測數(shù)據(jù)的可用性與完整性，是GNSS定位中評判數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，通常利用GNSS數(shù)據(jù)觀測中參與解算的觀測值跟理論觀測值的百分比表示。數(shù)據(jù)利用率低，將會影響到定位的穩(wěn)定性和可靠性，這樣需要對接收機(jī)及周圍環(huán)境進(jìn)行分析選擇合適的觀測站址，如果測站高度角在10。以上時在觀測時段內(nèi)，數(shù)據(jù)利用率要大于80%[15]。

本實驗通過對2018年年積日為032～059的數(shù)據(jù)完整率進(jìn)行計算，如圖5所示。

圖5 各數(shù)據(jù)利用率

由圖5得出，GPS數(shù)據(jù)利用率最高，除了測站I、J兩個測站外BDS的數(shù)據(jù)利用率大于GLONASS。三系統(tǒng)之間有一定的差異但是三個系統(tǒng)每個測站的數(shù)據(jù)利用率基本都在90%以上，均能滿足參考值為90%標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

本文利用低緯度高海拔區(qū)域2018年年積日為032～059的10個測站從多路徑誤差、周跳比、信噪比、數(shù)據(jù)利用率等方面進(jìn)行了GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析研究得出以下結(jié)論：

(1)多路徑指標(biāo)分析得出L1頻率上多路徑效應(yīng)都在0.5以內(nèi)，L2頻率上多路徑效應(yīng)在0.75以內(nèi)，其中BDS多路徑誤差基本都小于GPS及GLONASS，但是三個系統(tǒng)的值均在IGS站給出的參考值范圍內(nèi)說明該區(qū)域的接收環(huán)境比較好。

(2)信噪比指標(biāo)，通過計算該選定區(qū)域信噪比都在 42 dBHz以內(nèi)，而在無干擾的環(huán)境中性能良好的天線，信噪比一般能夠達(dá)到 42 dBHz表明該區(qū)域的測站觀測信號平穩(wěn)。

(3)周跳比指標(biāo)，通過實驗計算分析得出GPS、BDS、GLONASS三個系統(tǒng)周跳比值均大于200，滿足IGS站給出的o/slps參考值視為合格。

(4)數(shù)據(jù)完整率指標(biāo)GPS、BDS、GLONASS三個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)利用率都在90%以上。

總體來說，通過利用TEQC軟件和RTKLIB軟件相結(jié)合的方式能夠?qū)NSS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的質(zhì)量分析評估，得出該實驗區(qū)域接收環(huán)境等方面信號平穩(wěn)觀測環(huán)都比較理想，各指標(biāo)值均滿足IGS站給出的參考值，該研究區(qū)域GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量良好滿足GNSS定位的要求。