北斗与GPS数据质量对比分析＊

潘 林，蔡昌盛，戴吾蛟，高 晓

（中南大学测绘与国土信息工程系，湖南 长沙410083）

0 引 言

卫星数据质量分析在测绘工作中是必不可少的，能够为连续运行参考站的选址以及运行过程中的质量监测提供重要信息，而且也为卫星定位数据处理提供诸多先验信息［1－4］。TEQC是功能强大且简单易用的GPS／GLONASS数据预处理软件，主要功能有格式转换、编辑和质量检查［5］。其中，质量检查模块能够很全面的对GPS、GLONASS等卫星系统的观测数据进行质量分析。但由于北斗卫星导航定位系统发展较晚，TEQC并不能对北斗观测数据进行质量分析。利用笔者自己开发的类似TEQC的数据质量分析软件，从多路径效应、周跳、数据采集率、载噪比四个方面，对空旷环境和树林环境采集的北斗与GPS观测数据进行了质量分析。

1 观测环境与数据采集

如图1（a）所示，空旷环境观测点位于中南大学校本部文法楼楼顶，楼高20m以上，地势很高，周围十分空旷，没有任何遮挡物。如图1（b）所示，树林环境观测点位于中南大学校本部文法楼前面，周围是一片树林，遮挡很明显。

采集数据的接收机是由南方测绘公司生产，接收机类型是SouthGps，天线类型是HX－BS405A．空旷环境与树林环境数据采集都在2012年5月7日进行，它们的观测时间为1∶30－9∶00（GPS时），时段长度是7．5h，采样间隔为30s，截止高度角设为10°，采集的观测数据为北斗和GPS的混合数据。

2 多路径效应

两个频率上的伪距观测值多路径效应通常可以通过伪距和载波相位观测值的线性组合分别求得，其计算公式如下［6］:

式中:MP1、MP2分别表示北斗B1、B2波段上的伪距和载波相位观测值的多路径效应组合；Pw为伪距观测值；B为载波相位观测值（单位m）；εP为观测噪声；M为伪距观测值的多路径效应；m为载波相位观测值的多路径效应；n为整周模糊度；a＝f21／f22，f为载波相位观测值的频率；λ为载波相位观测值的波长。

如果没有周跳发生，则C是常量，因为m1、m2远远小于M1、M2，所以MP1、MP2主要反映了伪距多路径效应的影响，伪距多路径效应可以通过对MP1和MP2求标准差（STD）来进行统计。

多路径效应值是通过各历元的MP1、MP2值减去MP1、MP2均值得到的，而MP1、MP2均值是通过5min内各历元的MP1、MP2值求平均获得的。但当有周跳发生时，MP1、MP2均值要从发生周跳的历元重新开始计算。使用TurboEdit方法进行周跳探测［7］。

图2示出了空旷环境下C01、C09、G22、G31四颗卫星的多路径（B1／L1）与高度角关系。从图中可知，C01是地球静止卫星，高度角在46．41～47．03°变化，所以，多路径效应在整个时段比较均匀；C09是倾斜同步轨道卫星，其在6∶01－7∶31这段时间内多路径明显增大，这是由于较低的卫星高度角的缘故；G22和G31均是GPS卫星，G22在1∶30－2∶11、5∶55－6∶54这两个时间段内多路径明显增加，而G31在2∶42－3∶49这段时间内多路径明显更大，也是受到卫星低高度角的影响。根据图中高度角的变化，在C09、G22、G31这三颗卫星多路径明显增大的时间段其高度角基本在35°以下，这反映了低高度角对伪距多路径效应的影响。

图3示出了树林环境下C01、C09、G22、G31四颗卫星的多路径（B1／L1）与高度角关系。从图中也可以看出，低高度角信号的多路径效应显著更大。相比于空旷环境，在树林环境下四颗卫星的多路径统计值都增加了0．3m以上。表1示出了空旷环境与树林环境下的数据质量指标。从表中可以看出，在空旷环境下，B1／L1上的多路径在0．3 m以内，B2／L2上的多路径在0．4m以内，多路径较小；在树林环境下，多路径增加了0．322～0．461 m，多路径大大增加。树林环境下多路径明显增大是因为卫星信号在穿过树林时，树叶容易造成卫星信号发生衍射和反射，从而导致多路径效应更加明显。

表1 空旷环境与树林环境下数据质量指标

3 载噪比

载噪比是指载波信号与噪声的能量密度之比，是反映载波相位观测质量的指标之一［8］。由于载噪比和信号强度是息息相关的，文中用信号强度值乘以5来近似表示载噪比值。

图4示出了空旷环境下载噪比与高度角关系。具体是将高度角每5°划分，统计这5°内所有卫星载噪比的均值。例如，图中12．5°处的载噪比值表示10～15°内所有卫星的载噪比均值。从图中可以看出，除高度角大于60°时L1和B1上的载噪比值相等外，当高度角相同时，L1上的载噪比值最大，B1次之，L2上的载噪比值最小；从图中还可以看出，随着高度角的降低，载噪比值明显减小。图5示出了树林环境下载噪比与高度角关系。从图中可以看出，除高度角小于45°时B1和B2上的载噪比值基本相等外，其他特征基本和图4相似。从表1可以看出（最后两列），树林环境下的载噪比均值均略大于空旷环境，因此可以说树林环境对载噪比造成的影响是非常小的。

4 周跳与数据采集率

当某历元两个频率上任何一个载波相位观测值发生周跳则认为这个历元发生周跳。发生周跳的历元个数除以历元总数便得到周跳发生率。只有当两个频率上的伪距和载波相位观测值都可以获得时则认为这个历元的数据是有效的，据此计算获得数据采集率。表1示出了周跳发生率与数据采集率。在空旷环境下发生周跳的频率（周跳数／数据量）均小于1‰，数据采集率均大于97%，可见空旷环境下数据质量是非常好的。相比于空旷环境，树林环境下北斗数据发生周跳的频率增加0．805‰，数据采集率下降4%；GPS数据发生周跳的频率增加17．993‰，数据采集率下降21%。因此，树林环境下的数据质量是差于空旷环境的，这主要是因为卫星信号穿过树林时，树叶可能遮挡信号，从而导致信号失锁、数据采集率降低。

从表1中还可以看出，树林环境下GPS数据质量明显差于北斗数据。在数据处理中发现，当高度角小于25°时，周跳明显增多，数据采集率显著降低，分析认为，当高度角很小时，卫星信号穿过树林的路径大大增长，从而更容易造成树叶遮挡卫星信号。经统计，树林环境下北斗数据中高度角小于25度的数据量占总数据量的1．01%，而GPS数据中高度角小于25度的数据量占总数据量的11．39%，从而导致树林环境下GPS数据质量明显差于北斗数据。

5 结 论

利用空旷环境和树林环境下实测北斗和GPS观测数据进行质量分析，通过分析发现:相比空旷环境，树林环境下的观测数据伪距多路径更大、周跳增多、数据采集率降低，数据质量变差，但载噪比并没有明显差别，根据这些指标，树林环境下北斗数据质量要好于GPS．另外，无论是北斗还是GPS，数据质量会随着高度角的降低而变差。载噪比的分析结果表明，在两种观测环境中，GPS L1频段上的载噪比值最大，北斗B1次之，GPS L2频段上的载噪比值最小。

［1］ 丁 锐．利用TEQC软件对GNSS连续参考站选址的数据分析 ［J］．城市勘测，2009（1）:56－59．

［2］ 陈中新，系长元．应用TEQC对GPS连续参考站数据进行质量分析 ［J］．全球定位系统，2007，33（3）:228－231．

［3］ 张亦梅．应用TEQC对湖北省陆态网络连续站的观测数据进行质量分析 ［J］．大地测量与地球动力学，2011（31）:94－97．

［4］ 范士杰，郭际明．TEQC在GPS数据预处理中的应用于分析 ［J］．测绘信息与工程，2004（29）:33－35．

［5］ UNAVCOFacility．TEQC Tutorial［EB／OL］．［2009－7－16］http:／／facility．unavco．org／software／teqc／tutorial．html．

［6］ ESTEY L H，MEERTENS，C M TEQC:The multipurpose toolkit for GPS／GLONASS data［J］．GPS Solut．，1999，3（1）:42－49．

［7］ BLEWITT G．An automatic editing algorithm for GPS data［J］．Geophys Res．Lett．，1990，17（3）:199－202．

［8］ 戴吾蛟，丁晓利．基于载噪比及参数先验信息的抗差模型 ［J］．武汉大学学报，2008（33）:834－837．