基于靶場CORS 的試驗區(qū)北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

馮江海，于國棟，王春陽，張黛，馮吉花，安娜

( 中國人民解放軍63869 部隊, 吉林 白城 137001 )

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動了我國綜合定位、導(dǎo)航和授時(positioning，navigation and timing，PNT)系統(tǒng)的建設(shè)，為智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、智能交通等體系建設(shè)提供了全球覆蓋、全天候的時間與位置服務(wù)[1]. 我國自主研發(fā)的北斗三號(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)自2020 年6 月完成全球組網(wǎng)，不僅向全球用戶提供標(biāo)準(zhǔn)PNT 服務(wù)、全球短報文通信(global short message communication, GSMC)和國際搜救(search and rescue，SAR)服務(wù)，還向中國及周邊地區(qū)提供星基增強(qiáng)(satellite-based augmentation system，SBAS)、精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)和區(qū)域短報文通信(regional short message communication，RSMC)[2]. 蔡洪亮等[3]利用iGMAS實(shí)測數(shù)據(jù)對BDS-3 六類服務(wù)的核心指標(biāo)進(jìn)行了評估，為北斗不同類型的用戶提供了科學(xué)的參考.

觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)定位的可靠性、穩(wěn)定性、可用性和定位精度，從根本上影響系統(tǒng)的性能服務(wù)水平，并間接影響到系統(tǒng)的全球化應(yīng)用進(jìn)程[4].文獻(xiàn)[5-6]認(rèn)為BDS-3 的載噪比(carrier to noise ratio，CNR)優(yōu)于北斗二號(BeiDou-2 Navigation Satellite System，BDS-2)，兼容互操作性、數(shù)據(jù)完整率、數(shù)據(jù)飽滿度和連續(xù)性都有不算錯的表現(xiàn). 文獻(xiàn)[7-9]對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)分析，但相關(guān)結(jié)論僅基于有限幾天的數(shù)據(jù)，沒有研究全年的變化趨勢，長周期性變化趨勢有待總結(jié). 由于各系統(tǒng)用于組網(wǎng)的中圓地球軌道(medium earth orbit，MEO)衛(wèi)星運(yùn)行周期大多分為12 h，地球靜止軌道(geostationary earth orbit，GEO)衛(wèi)星運(yùn)動狀態(tài)相對靜止，所以每個區(qū)域可視衛(wèi)星相對較為穩(wěn)定，因此基于區(qū)域連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference station，CORS)連續(xù)觀測數(shù)據(jù)分析區(qū)域GNSS 數(shù)據(jù)質(zhì)量就顯得很有意義.參照國際GNSS 監(jiān)測評估系統(tǒng)(International GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS)對全球各系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測評估的模式，文章探討了基于CORS 連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶應(yīng)用端數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的方法，為下一步基于靶場CORS 建立試驗區(qū)GNSS 數(shù)據(jù)觀測與評估系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ).

1 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)

本文將針對數(shù)據(jù)完整率、周跳比、多路徑誤差、CNR 和偽距單點(diǎn)定位(single point positioning，SPP)精度五個方面質(zhì)量指標(biāo)[10]，從衛(wèi)星系統(tǒng)、觀測值數(shù)據(jù)類型和指定衛(wèi)星三個角度進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析.

1.1 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率表示接收機(jī)觀測到衛(wèi)星的實(shí)際歷元數(shù)據(jù)量與理論歷元數(shù)據(jù)量的比值，能夠反映跟蹤站點(diǎn)在不同截止高度角范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的可用性和完好性，比值越大說明數(shù)據(jù)質(zhì)量越好. 為了消減電離層延遲影響、提高定位精度，往往采用多頻觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性組合，因此文章同時也對雙頻4 星的數(shù)據(jù)完整率進(jìn)行了統(tǒng)計.

1.2 周跳比

周跳比表示觀測時間段內(nèi)，接收機(jī)接收的實(shí)際歷元數(shù)據(jù)量與發(fā)生周跳歷元數(shù)據(jù)量的比值，能夠反映觀測環(huán)境周圍的遮擋和電磁干擾等綜合環(huán)境情況，一般常用每千歷元周跳數(shù)(cycle slips per 1 000 obs, CRS)來表示，數(shù)值越小越好. 超過半數(shù)的國際GNSS 服務(wù)International GNSS Service，IGS)站的CRS 年平均值小于5，2/3 以上的CRS 年平均值小于10[11].

1.3 多路徑誤差

多路徑誤差與測站周圍環(huán)境和接收機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能密切相關(guān)，該項誤差通過差分或者建模的方式無法有效消除，但是針對雙頻或多頻GNSS 觀測數(shù)據(jù)，可通過多個頻點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)的線性組合消除對流層延遲和電離層延遲的一階項影響，并扣除衛(wèi)星和接收機(jī)之間幾何距離后，再進(jìn)行相應(yīng)的周跳探測修復(fù)和粗差剔除，從而有效計算出觀測時段內(nèi)任一GNSS、任一頻率、任一衛(wèi)星的多路徑誤差值，2/3 的IGS 站L1 頻點(diǎn)的偽距多路徑延遲(MP1)平均值小于0.5，L2 頻點(diǎn)的偽距多路徑延遲(MP2)平均值小于0.75[11].

1.4 CNR

CNR 表示已調(diào)制信號的平均功率與噪聲功率譜密度之比，反映了信號在整個發(fā)射和接收過程中的增益與損耗，受接收機(jī)跟蹤、捕獲信號的能力以及內(nèi)部抑制噪聲的能力、觀測環(huán)境等因素的影響，數(shù)值越大表明觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越好.

1.5 SPP

偽距觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞對定位精度產(chǎn)生直接影響，基于空間距離后方交會實(shí)現(xiàn)的SPP 定位速度快，使用方便，常用作衡量導(dǎo)航信號穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)[12-14].

2 試驗結(jié)果分析

2.1 全年GNSS 各系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整率分析

選取CORS 站HUEG 測站(基本信息如表1 所示)2021 年全年分布的數(shù)據(jù)(每個月任選2 d，合計24 d數(shù)據(jù))，統(tǒng)計每天各系統(tǒng)可接收衛(wèi)星數(shù)和幾何精度因子(geometric dilution of precision，GDOP)值如圖1所示，同時選取其中一天的觀測數(shù)據(jù)繪制衛(wèi)星天空如圖2 所示，并統(tǒng)計可視數(shù)據(jù)完整率和可視衛(wèi)星軌跡曲線數(shù)如表2 所列.

圖1 各系統(tǒng)可接收衛(wèi)星數(shù)量對比圖和GDOP 對比圖

圖2 各系統(tǒng)衛(wèi)星天空圖(連續(xù)時段30 min)

表1 HUEG 站址基本信息

表2 各系統(tǒng)可視數(shù)據(jù)完整率和可視衛(wèi)星軌跡曲線數(shù)(連續(xù)觀測數(shù)據(jù))

由圖1 可知，各系統(tǒng)全年可視衛(wèi)星數(shù)比較穩(wěn)定，BDS 可視衛(wèi)星最多，GPS 可視衛(wèi)星數(shù)與BDS-3 衛(wèi)星數(shù)相當(dāng)；從GDOP 值變化圖上看，GPS 年平均GDOP值較其他系統(tǒng)好，BDS 其次，GLONASS 最差；但從GDOP 穩(wěn)定性來看，BDS 全年星座結(jié)構(gòu)比較理想，GPS 在年積日第213 天和年積日第300 天波動較大.

由表2 可知，各系統(tǒng)可視衛(wèi)星數(shù)據(jù)率相當(dāng)，GPS相對較低；GPS 和GLONASS 衛(wèi)星信號容易被捕獲，但衛(wèi)星容易失鎖，導(dǎo)致小片段數(shù)據(jù)(以5 min 數(shù)據(jù)為例)較多，數(shù)據(jù)連續(xù)性較差，北斗數(shù)據(jù)完整性相對較好.

分別統(tǒng)計2021 年各系統(tǒng)不同截止高度角范圍內(nèi)實(shí)際接收數(shù)據(jù)完整率、可用數(shù)據(jù)完整率(雙頻、4 顆以上衛(wèi)星、星歷數(shù)據(jù)完整)、星歷缺失數(shù)據(jù)比例、單頻數(shù)據(jù)比例CRS 和每千歷元數(shù)據(jù)中斷情況如圖3 所示.

圖3 各系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性對比圖

由圖3 可知：

1) GPS 數(shù)據(jù)完整性較其他系統(tǒng)要好，Galileo 其次，年平均值分別為94.52%、93.56%，GLONASS 數(shù)據(jù)完整性較差，數(shù)據(jù)完整率最低時為47.63%；

2) 年積日第121—337 天(除了年積日227 天)由于星歷文件缺失導(dǎo)致各系統(tǒng)可用歷元數(shù)據(jù)完整率較差；

3) GLONASS 單頻偽距/載波觀測量相比其他系統(tǒng)出現(xiàn)頻率較高，BDS 單頻數(shù)據(jù)出現(xiàn)比例最低，即可用的多頻數(shù)據(jù)較多；

4) 根據(jù)統(tǒng)計學(xué)規(guī)律[11]，超過半數(shù)IGS 站的CRS年平均值小于5，2/3 以上的年平均值小于10，根據(jù)文獻(xiàn)[10]規(guī)定，任一GNSS 的CRS 不大于2，而此次樣例中，GLONASS 的CRS 遠(yuǎn)大于5，年平均值為13.77，測站周跳影響較為嚴(yán)重，而其他系統(tǒng)年平均值分別為1.25(GPS)、0.37(Galileo)、0.65(BDS)，滿足測量規(guī)范相關(guān)規(guī)定. 同時，導(dǎo)航電文缺失期間，周跳和數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象明顯較為嚴(yán)重.

2.2 同頻GPS、BDS 和Galileo 數(shù)據(jù)質(zhì)量對比

為了實(shí)現(xiàn)與其他GNSS 的兼容互通，BDS-3 頻點(diǎn)設(shè)計時采用了與GPS、Galileo 相同的頻率，具體情況如表3 所示.

表3 GPS、Galileo 和BDS 同頻點(diǎn)信息情況表

采用2021 年HUEG 測站全年數(shù)據(jù)對GPS、BDS 和Galileo 兼容互通的頻點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差和CNR 情況計算，由于各系統(tǒng)兼容頻點(diǎn)較多，因此文章采用6 字符定義各信道名，其中前3 字符代表星座，第4 字符代表數(shù)據(jù)類型，后2 個字符代表信道，如圖4 所示.

圖4 同頻點(diǎn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量對比

通過對BDS-3 信號的數(shù)據(jù)完整性、多徑和CNR進(jìn)行分析，并與同頻的GPS、Galileo 信號作對比可得結(jié)論如下：

1) 同頻點(diǎn)BDS-3 信號數(shù)據(jù)完整性較其他系統(tǒng)更穩(wěn)定，均值在90%以上，滿足規(guī)范指標(biāo)要求，年積日213 當(dāng)天GPS 的L1C 和L5 數(shù)據(jù)完整性較差.

2) 各系統(tǒng)多徑影響均小于0.5 m，滿足規(guī)范指標(biāo)要求，其中Galileo 同比多路徑影響最小，BDS-3 B2a和B2b 信號同比多路徑影響較大.

3) 各系統(tǒng)CNR 的平均值均大于35 dB·Hz，滿足規(guī)范指標(biāo)要求，其中Galileo 的E1 和GPS 的L5，與相同頻點(diǎn)的其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)相比，噪聲相對較小，BDS-3各頻點(diǎn)噪聲影響相對比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理精度要求不高時可考慮將其作為系統(tǒng)誤差進(jìn)行消減.

對年積日227 當(dāng)天觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差和CNR 按歷元進(jìn)行時序分析，如圖5 所示，同時統(tǒng)計均值如表4 所示.

圖5 年積日227 各系統(tǒng)同頻點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量對比

表4 年積日227 當(dāng)天 GPS、Galileo 和BDS 同頻點(diǎn)多徑和CNR 均值

通過對年積日227 天的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行同頻點(diǎn)各系統(tǒng)多路徑和CNR 時序分析可得：

1)同頻點(diǎn)BDS-3 較GPS 和Galileo 在年積日227 當(dāng)天所造成的多路徑影響大，但是影響比較穩(wěn)定，均小于0.5 m，GPS 和Galileo 的多路徑均值雖然較低，但是部分歷元多徑影響超過0.5 m 的指標(biāo)要求；

2)同頻點(diǎn)BDS 信號的噪聲影響較Galileo 低，GPS 的L5 信號的強(qiáng)度較Galileo 的E5a 和BDS 的B2a 要強(qiáng).

2.3 BDS 各頻點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量對比

對2021 年HUEG 測站的BDS 觀測數(shù)據(jù)按頻點(diǎn)分別對數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差和CNR 進(jìn)行分析計算，如圖6 所示.

圖6 北斗各頻點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量變化

通過分析BDS 全年各頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以發(fā)現(xiàn)：

1) B2I 作為BDS-2 的頻點(diǎn)，在BDS-3 衛(wèi)星上仍有播發(fā)，但數(shù)據(jù)完整率較差，年平均值為67.20，其余頻點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率年平均值均大于98.5%，BDS-3 數(shù)據(jù)完整性較好，年積日202 當(dāng)天BDS-3 數(shù)據(jù)完整性整體較差，均值92.14%；

2) BDS-2 頻點(diǎn)B2I 及過渡頻點(diǎn)B1I 在該測站受到的多路徑影響較為嚴(yán)重，且B2I 受到的噪聲影響也最大，年均值39.83%；

3) 融合頻點(diǎn)B2(B2a+B2b)具有較好的多路徑和噪聲抑制作用.

選取年積日227 當(dāng)天的觀測數(shù)據(jù)，對BDS 各頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差和CNR 逐歷元進(jìn)行時序分析，如圖7 所示.

圖7 年積日227 當(dāng)天BDS 各頻點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量時序變化

通過對年積日227 當(dāng)天的觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行BDS各頻點(diǎn)時序分析可得結(jié)論如下：

1) BDS-2 頻點(diǎn)B2I 受環(huán)境影響較大，其次是過渡信號B1I，13:30—14:00 多路徑影響遠(yuǎn)大于0.5 m的限差要求，BDS-3 信號頻點(diǎn)整體抗多路徑影響性能較好；

2) BDS 各頻點(diǎn)受噪聲的影響整體規(guī)律相似，BDS-2頻點(diǎn)B2I 和過渡頻點(diǎn)B1I 和B3I 相對于BDS-3 頻點(diǎn)信號強(qiáng)度較差，抗噪聲能力較弱；

3) BDS-3 融合頻點(diǎn)B2(B2a+B2b)整體抗多路徑影響和抗噪聲能力較強(qiáng).

2.4 BDS 不同類型衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

與GPS、Galileo 和GLONASS 相比，BDS 創(chuàng)新的采用多類型衛(wèi)星混合組網(wǎng)模式，既滿足了全球PNT服務(wù)的優(yōu)質(zhì)保障，為GEO 衛(wèi)星的使用提供了SBAS、RSMC 等特色服務(wù)，同時高軌衛(wèi)星的使用增強(qiáng)了亞太地區(qū)衛(wèi)星的可見性，較其他星座設(shè)計上具有巨大的優(yōu)勢.

選取年積日227 當(dāng)天BDS-3 不同類型的衛(wèi)星各1 顆(GEO(PRN60)、MEO(PRN23)和傾斜地球同步軌道(inclined geo-synchronous orbit，IGSO)衛(wèi)星(PRN39))分別計算偽距多路徑誤差(MP)和CNR，如圖8~9 所示.

圖8 BDS 不同類型衛(wèi)星多路徑和高度角時序分析

圖9 BDS 不同類型衛(wèi)星CNR 和高度角時序分析

通過對不同軌道衛(wèi)星、不同頻點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行多路徑和CNR 時序分析可得：

1) IGSO 和MEO 衛(wèi)星的多路徑誤差均隨著高度角的降低而發(fā)散，多路徑誤差變化較大；同時隨著高度角的降低，觀測噪聲也相對增大；

2) GEO 衛(wèi)星的高度角無明顯變化，B3I 信號多路徑誤差整體較B1I 小的多，由于GEO 衛(wèi)星高度角較為穩(wěn)定，所以B1I 和B3I 的CNR 變化不是很明顯，在GEO 衛(wèi)星信號強(qiáng)度監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)了B2I 的信號數(shù)據(jù)，具體原因還需進(jìn)一步分析；

3) B1I 頻段信號的抗多路徑和抗噪聲性能要差于其他頻段，B2b 和B2(B2a+B2b)相對來說多路徑誤差較小、CNR 較高.

2.5 SPP 精度分析

利用2021 年HUEG 測站偽距觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行SPP. 并與IGS 已知站址坐標(biāo)進(jìn)行對比，經(jīng)坐標(biāo)變換和高斯投影以后可得各單系統(tǒng)(GPS、BDS、Galileo 和GLONASS)和多系統(tǒng)(GNSS)平面和高程殘差如圖10所示，對年積日227 當(dāng)天觀測數(shù)據(jù)逐歷元進(jìn)行SPP，并與已知站址坐標(biāo)進(jìn)行對比，可得SPP 定位精度殘差如圖11 所示.

圖10 HUEG 測站2021 年SPP 定位精度變化圖

圖11 HUEG 測站年積日227 當(dāng)天SPP 定位精度時序圖

從定位精度殘差圖可以發(fā)現(xiàn)：

1)多系統(tǒng)定位精度和穩(wěn)定性都較好，單BDS 定位精度和單GPS 定位精度相當(dāng)，精度穩(wěn)定性較其他系統(tǒng)好；

2)單GLONASS 定位數(shù)據(jù)精度和可靠性較差.

3 結(jié)束語

利用CORS 連續(xù)運(yùn)行的特性對試驗區(qū)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)分析，經(jīng)過統(tǒng)計評估可得出試驗區(qū)逐年、逐月和逐日的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量變化規(guī)律，本文以2021 年觀測數(shù)據(jù)為樣本對五個主要數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行分析：

1) BDS 可視衛(wèi)星數(shù)最多，GDOP 值比GPS 略大，但全年GDOP 值穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)完整性較好；

2)與同頻的GPS 和Galileo 信號相比，Galileo 的多徑影響最小且信號強(qiáng)度最大，但BDS 的數(shù)據(jù)完整率和CNR 穩(wěn)定性較高；

3) BDS-2 頻點(diǎn)B2I 數(shù)據(jù)完整性較差且多路徑影響最嚴(yán)重，融合頻點(diǎn)B2(B2a+B2b)具有較好的多路徑和噪聲抑制作用；

4) IGSO 和MEO 衛(wèi)星的多路徑誤差隨高度角的降低而發(fā)散，誤差變化較大，且觀察噪聲也相對增加，GEO 衛(wèi)星的B3I 信號的多路徑誤差影響較B1I小的多；

5)多系統(tǒng)定位精度和穩(wěn)定性都較好，單BDS 定位精度和單GPS 定位精度相當(dāng)，精度穩(wěn)定性較其他系統(tǒng)好，單GLONASS 定位數(shù)據(jù)精度和可靠性較差.