BDS/GPS卫星数据质量分析软件开发及应用研究

金　蕾　吉渊明　唐卫明　张永峰

1　浙江省测绘科学技术研究院，杭州市保俶北路83号，310012 2　武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉市珞喻路129号， 410079 3　武汉攀达时空科技有限公司，武汉市大学园路，430040



BDS/GPS卫星数据质量分析软件开发及应用研究

金蕾1吉渊明1唐卫明2, 3张永峰2, 3

1浙江省测绘科学技术研究院，杭州市保俶北路83号，310012 2武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉市珞喻路129号， 410079 3武汉攀达时空科技有限公司，武汉市大学园路，430040

通过对TEQC数据质量模块相关算法进行分析，实现了支持RINEX2、3 格式的BDS/GPS卫星数据质量分析软件DataQC的开发，其主要参数包括数据完整率、多路径指数、信噪比和周跳等，并增加卫星分布状况以及电离层、接收机硬件延迟偏差估计功能。通过多组数据验证，软件计算指标与TEQC结果具有较高的一致性；在电离层估计方面，与全球电离层格网(global ionosphere maps, GIM)插值计算结果的RMS在3 TECu之内，并可用于接收机硬件延迟偏差稳定性的分析。

BDS；数据质量分析；电离层建模；多路径；接收机硬件延迟

TEQC软件虽提供对北斗数据的分析支持，但无法处理RINEX 3格式的数据，已有文献中关于其指标的算法虽有涉及但并不完全。通过对相关算法的研究分析，本文实现了支持RINEX2、3 格式的BDS/GPS卫星数据质量分析软件DataQC的开发，其主要参数包括数据完整率、多路径值、信噪比和周跳等，并增加电离层与接收机硬件延迟偏差估计、卫星分布情况等功能。

1　参数计算

由于TEQC软件非开源，本文对其相关指标的计算进行说明。在电离层估计方面，采用多项式模型并进行分时段建模，通过导航电文进行卫星与接收机硬件延迟偏差的分离。

1)数据完整率。数据完整率指标反映测站周围是否具有较高的遮挡物，其值为接收到的伪距/相位观测值总数与预计的观测值总数之比(高度角>10°)。预计观测值总数的计算方法为：根据观测文件的起止时间和采样间隔，利用导航文件计算相应时刻测站至所有卫星的高度角，若计算高度角大于10°，则增加预计观测值总数值。接收到的伪距/相位观测值总数通过对观测文件的遍历来统计。

2)多路径(MP)值。TEQC给出的MP1、MP2值分别表示L1、L2载波上的多路径效应对伪距和相位影响的综合指标[1-2]，其值越大，多路径影响越严重。计算公式为：

(1)

对于三频观测数据，有：

(2)

3)o/slips。该值为完整观测数据与周跳数之比，直接反映了数据的周跳情况，数值越小则代表周跳越严重，周围可能存在较大的干扰源。采用电离层残差组合(式(3))以及MW组合(式(4))进行周跳探测。

(3)

(4)

电离层残差组合仅包含电离层误差影响，而电离层的时空变化特性在一般情况下是缓慢的，故由该组合得到的时间序列若出现大于阈值的跳跃则可认为出现周跳。MW组合仅包含模糊度和噪声情况，可以同LG组合同时使用。完整观测值数与跳变数之比即为o/slips。

4)信噪比平均值。信噪比是有用信息和其他噪声的比值，与卫星状况及周围观测环境有关。TEQC通过对观测文件中s1、s2值(接收机所给出的L1、L2相位观测值的原始信号强度)取平均，给出L1、L2载波上的数据信噪比状况。

5)电离层及硬件延迟偏差估计。本文采用多项式模型并顾及硬件延迟偏差，对单站电离层TEC(total electron content)值进行估计。考虑到不同频率的信号会产生码间差分偏差，忽略测量噪声，将GNSS双频伪距观测方程相减后得：

c·DCBR+c·DCBS

(5)

式中，P1、P2为伪距观测值，δts、δtr为P1、P2码信号在L1、L2发射链路、接收机端的时延[2]，I1、I2为不同频率下的电离层改正量，c为真空中光速，DCBR为接收机的硬件延迟偏差，DCBS为卫星的硬件延迟偏差，共同称之为码间差分偏差DCB(differential code bias)。对部分接收机，忽略该值可引起16 TECu的误差[3]。将式(5)移项、化简并代入投影函数MF后，可得如下观测方程：

(6)

对于单站数据，接收机与卫星DCB值可不分离，但考虑到扩展性(即区域电离层模型建立)，将测站与接收机DCB分离可显著减少待估计参数的个数，有利于提高计算效率。常用的分离接收机和卫星硬件延迟的方法为零均值约束，即通过增加所有卫星硬件延迟之和为0作为约束条件。但在BDS中，由于在轨卫星的高度、空间环境、卫星类型等的差异，上述零均值约束会导致可靠性下降[5]。本文通过导航文件广播轨道-6给出的TGD(timing group delay)参数与卫星DCB的转换关系进行分离，但需要注意GPS与BDS在卫星发射链路时延所给出方式的差异[2,6]。采用多项式模型对式(6)中的VTEC进行展开：

(7)

式中各参数含义见文献[7]。

该多项式模型具有隐含假设：VTEC随时间的变化规律与随经度方向的变化具有一致性[8]。为保持较高的拟合精度，以1 h为时段长度，采用分段线性拟合，在全天观测值组成的法方程中加入时域连续性、空域连续性和平滑的约束，并考虑到接收机DCB的稳定性，每个测站在全天观测时段中仅引入一个待求解的测站DCB，以最小二乘原理为解算准则即可得到待估参数的估值。

2　软件有效性分析

通过C++语言完成支持RINEX2、3 格式的BDS/GPS 卫星数据质量分析软件DataQC的开发。用户通过程序界面，选择待分析数据的导航文件和观测文件，并给出保存结果路径后可进行数据质量分析。在程序主界面可生成卫星星空图，相应的单站VTEC结果以及测站接收机DCB保存于程序路径下。

为验证软件中给出参数的正确性，进行多测站数据分析，包括浙江CORS站网数据、中山测站数据、海口测站数据等(均可提供RINEX2、3格式的GPS+BDS数据)。以TEQC处理RINEX2.01格式GPS数据结果作为准确值，将DataQC软件计算结果与TEQC进行对比。表1为海口测站(HK01)数据结果。可以看出，DataQC的结果与TEQC具有良好的一致性，并可用于分析北斗三频数据。

为验证DataQC电离层估计模块的有效性，将计算得到的测站VTEC值与IGS通过全球约200个测站数据得到的GIM插值计算结果进行比对。多测站数据表明，估计结果的量值及变化趋势与GIM插值结果都较为一致，其中GPS的误差保持在2 TECu之内，BDS的误差保持在3 TECu之内。图1为低纬度中山测站2015-08-23数据结果，上图为由GPS、BDS和GIM分别计算得到的TEC值图，下图为GPS和BDS计算结果与GIM结果的差值，数据采样间隔为30 s，截止高度角10°，单层电离层高度与GIM保持一致为450 km。GPS与GIM差值结果RMS为1.48 TECu，BDS与GIM差值结果RMS为2.25 TECu。从图2可以看出，由于BDS GEO为地球静止卫星，导致测站电离层穿刺点分布不均，使得电离层VTEC估计精度不及GPS。

表1　海口测站数据质量分析指标对比

图1　中山测站GPS/BDS/GIM电离层TEC估计、对比结果时序图Fig.1　The GPS/BDS/GIM ionospheric TEC estimation and comparison results of ZS01

图2　单站GPS(左)、BDS(右)星空图Fig.2　The star charts of GPS (left) and BDS(right)

3　基于ZJCORS的应用

浙江省连续运行参考站网(Zhejiang continuously operating reference stations, ZJCORS)目前正在进行北斗升级工作，已顺利建成浙江省北斗地基增强系统杭嘉湖试验网。本文通过DataQC软件对其8个测站连续15 d的数据进行处理，给出8个测站的数据完整率、多路径情况、信噪比情况和DCB稳定性结果。图3为测站分布情况。

数据采集时间为2015-07-03～2015-07-17，采样间隔为30 s，截止高度角为10°。限于篇幅，表2给出了其中4个测站的日均结果，TEQC列表示使用TEQC软件分析GPS数据的结果，GPS和BDS列分别为采用DataQC软件得到的GPS、BDS的数据质量情况。可以看出， TEQC和DataQC各指标在GPS数据分析中具有较好的一致性，MP值差异在0.02 m之内；BDS数据各指标均有较好的结果，即参考站均具有良好的观测环境，GPS和BDS数据质量符合要求。

图3　测站分布图Fig.3　Distribution of stations

测站名TEQCGPSBDSZJCNZJWLZJPHZJYH完整率/%100.00100.0098.00MP1/m0.300.300.28MP2/m0.280.270.22means145.1745.2442.13means232.9432.9542.10完整率/%100.00100.0097.00MP1/m0.290.290.27MP2/m0.280.280.21means144.7344.7341.78means232.2232.2141.88完整率/%100.00100.0099.00MP1/m0.310.290.30MP2/m0.300.280.22means145.0845.0741.86means233.1433.1341.99完整率/%100.0099.0099.00MP1/m0.310.290.29MP2/m0.300.290.22means144.7944.7941.90means233.0533.0642.49

为分析测站接收机硬件延迟稳定性，采用本文所述的区域电离层模型，对8个测站进行电离层建模并计算接收机每日的DCB值。图4给出了各测站GPS和BDS数据的接收机DCB标准差。可以看出，各测站接收机硬件延迟偏差稳定性均在1 ns之内，具有良好的稳定性。

图4　各测站接收机DCB标准差Fig.4　The STD of DCB of each station

4　结　语

通过对TEQC数据质量分析模块的研究，本文实现了支持RINEX2、3 格式的BDS/GPS卫星数据质量分析软件DataQC的开发。对比多组实测数据发现，DataQC的关键指标参数(数据完整率、多路径MP值、o/slip和信噪比等)结果与TEQC具有良好的一致性。软件增加了顾及接收机DCB的单站电离层VTEC建模功能，并可扩展为区域电离层模型，能够反映测站电离层情况。将DataQC估计结果与GIM插值结果进行比较，其RMS小于3 TECu。通过对多天数据的处理，可评估测站观测环境、接收机数据质量以及接收机硬件稳定性，可用于CORS网的选址、监测及GNSS控制网数据质量分析。

[1]魏二虎，王中平，龚真春，等. TEQC软件用于GPS控制网数据质量检测的研究[J]. 测绘通报，2008(9):6-9(Wei Erhu, Wang Zhongping, Gong Zhenchun, et al. On the Data Quality Detection of GPS Control Network with TEQC Software[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2008(9):6-9)

[2]戴伟, 焦文海, 贾小林. Compass导航卫星频间偏差参数使用方法[J].测绘科学技术学报, 2009，26(5): 367-369(Dai Wei, Jiao Wenhai, Jia Xiaolin. Application Research for Compass Navigation Satellite Interfrequency Bias Correction Terms[J]. Journal of of Geomatics Science and Technology, 2009, 26(5): 367-369)

[3]王小亚, 朱文耀. GPS监测电离层活动的方法和最新进展[J].天文学进展,2003,21(1): 33-40(Wang Xiaoya, Zhu Wenyao. Methods and Progress on Monitoring Ionosphere Activity by GPS[J]. Progress in Astronomy, 2003, 21(1):33-40)

[4]Schaer S. Mapping and Predicting the Earth’s Ionosphere Using the Global Positioning System[D]. Berne: University of Berne, 1999

[5]李子申. GNSS/Compass电离层时延修正及TEC监测理论与方法研究[D].武汉：中国科学院测量与地球物理研究所,2012(Li Zishen. Study on the Mitigation of Ionosphere Delay and the Monitoring of Global Ionospheric TEC Based on GNSS/Compass[D]. Wuhan: Institute of Geodesy and Geophysics, CAS, 2012)

[6]耿长江. 利用地基GNSS数据实时监测电离层延迟理论与方法研究[D].武汉:武汉大学, 2011(Geng Changjiang. Theory and Method on Real Time Monitoring of Ionospheric Delay Using Ground Based GNSS Data[D]. Wuhan: Wuhan University, 2011)

[7]张小红, 李征航, 蔡昌盛. 用双频GPS观测值建立小区域电离层延迟模型研究[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2001，26(2):140-143 (Zhang Xiaohong, Li Zhenghang, Cai Changsheng. Study on Regional Ionospheric Model Using Dual-Frequency GPS Measurements[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2001，26(2):140-143)

[8]刘长建. GNSS电离层建模方法与质量控制研究[D].郑州:信息工程大学，2011(Liu Changjian. Study on Modeling Method and Model Quality Control of Ionosphere Based on GNSS[D]. Zhengzhou: Information Engineering University, 2011)

Foundation support:Public Service Technology Application Research Project of Science and Technology Department of Zhejiang Province,No.2014C33048，2016C31123.

About the first author:JIN Lei, assistant engineer, majors in GNSS high precision data processing，E-mail: jlei.damaicha@gmail.com.

Development and Application of BDS/GPS Satellite Data Quality Checking Software

JINLei1JIYuanming1TANGWeiming2, 3ZHANGYongfeng2, 3

1Zhejiang Academy of Surveying and Mapping，83 North-Baochu Road, Hangzhou 310012, China 2GNSS Research Center, Wuhan University，129 Luoyu Road, Wuhan 410079, China 3Positioning Attitude Navigation Direction and Application, Panda，Daxueyuan Road, Wuhan 430040, China

The BDS/GPS data quality checking software DataQC, which supports the RINEX 2 and 3 formats, was developed by analyzing the data quality module of TEQC. The main indexes include data integrity rate, multipath value, signal to noise ratio, cycle slips and so on. The DataQC also supports the estimation functions of ionosphere TEC and receiver differential code bias. The TEC estimated results of both systems are consistent with GIM in magnitude and trend.

BDS; data quality checking; ionosphere modelling; multipath delay; receiver differential code bias

2015-09-01

金蕾，助理工程师，研究方向为GNSS高精度数据处理，E-mail：jlei.damaicha@gmail.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.019

1671-5942(2016)09-0837-04

P228

A

项目来源：浙江省科技厅公益技术应用研究项目(2014C33048，2016C31123)。