星载GPS/BDS数据质量评估与分析

吴琼宝，赵春梅

(1.煤炭工业济南设计研究院有限公司，济南 250031；2.中国测绘科学研究院，北京 100830)

0 引言

随着低轨卫星应用越来越广泛，星载全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)融合观测数据确定低轨卫星精密轨道成为卫星定轨技术发展的必然趋势。目前，星载全球定位系统(global positioning system，GPS)接收机搭载在各种低轨卫星上并且回传的数据稳定，性能良好，根据回传数据定轨精度达到厘米级[1-6]。国内部分低轨卫星搭载了星载多模接收机，采用其回传的观测数据确定其精密轨道是低轨卫星试验任务的重要内容，同时星载北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)观测数据定轨对我国卫星和航天信息安全具有重要的意义。

对星载观测数据精密定轨，观测数据的质量是影响其定轨精度的关键因素之一，同时也是低轨卫星定轨精度和可靠性的保障。它受卫星的健康状况、接收机及天线、测站环境等因素的影响。目前，国内外公认的比较优秀的数据质量评估软件是由美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学开发的TEQC(translation，editing and quality checking)，其以GNSS数据质量评估为核心，并具备数据格式转换、数据编辑、伪距定位等功能[7]。

1 数据质量评估

低轨卫星在太空中处于高速运动，易受复杂环境的影响；而星载GPS数据质量高低是卫星精密定轨的关键，分析观测数据的质量必不可少。影响观测数据质量的主要因素包括电离层延迟、多路径效应以及接收机噪声等。

GNSS观测数据质量检核的主要指标为多路径效应(MP1、MP2)、周跳比(O/slps)和观测数据的完整性。其中：MP1、MP2分别为L1、L2频率上的多路径观测误差；观测值总数与发生周跳的观测值数之比称为周跳比，它直接反映了数据周跳的情况，比值越大，表明周跳越少，反之则越多；数据的完整性反映了星载设备的性能和数据量的大小，直接影响低轨卫星定轨精度。此外还包括电离层影响误差、电离层延迟变化率、卫星的可见性、信噪比(single-noise ratio，SNR或S/R)和其他相关参数。

1.1 卫星可见性

星载观测数据中每个历元的观测卫星数可以直观地反映低轨卫星接收机的跟踪情况。可见卫星数越多，可减小几何精度衰减因子、采用其定轨的精度越高。对于BDS，卫星的可见性分析较为重要。目前在轨可用于导航的BDS卫星数为15颗，其中5颗为高轨卫星，星历精度较低；而低轨卫星上搭载的BDS接收机性能不稳定，数据接收异常，对卫星定轨精度影响较大。

1.2 多路径误差

多路径误差作为影响星载数据质量与低轨卫星定轨精度的重要因素之一，其估计值能够直观地反映观测数据的优良。L1和L2(BDS接收机为B1和B2)频率上的多路径误差可通过伪距观测值和载波相位观测值的线性组合来估计[8]，即

(1)

1.3 数据有效率与利用率

数据有效率为删除观测值数与所有观测量类型数据量之比，在TEQC软件中的表示为deleted observations/complete observations。

数据利用率为完整观测值的历元数与预期历元数之比，完整观测值为历元的观测值同时具有码观测量C1或P1、C2或P2，以及相位观测量L1和L2等4种类型的数据。

数据有效率和利用率作为星载观测数据质量的统计值，反映了接收机采集数据的性能与稳定性。对于星载BDS数据，数据的利用率较为重要，利用率低说明数据质量差，对定轨结果影响较大。

1.4 电离层延迟变化率

星载双频观测数据的电离层延迟为

和方差(SSE)为3.838，确定系数(R-square)为0.962 1，调整后确定系数(Adjusted R-square)为0.957 4，均方根(RMSE)为0.399 9。

(2)

式中：L1和L2分别为f1和f2频率上的载波观测量，单位为m；n1和n2为整周模糊度；m1和m2分别为f1和f2频率上的多路径效应；λ1和λ2分别为f1和f2频率对应的载波波长。

TEQC软件检核观测数据模块中计算电离层延迟变化率为

(3)

式中：j为历元编号；tj为历元j的时刻，如果iod变化率大于400 cm/min，则认为存在周跳。

1.5 周跳比

周跳比为实际观测的历元数与周跳数的比值，用以说明观测数据的周跳情况。周跳探测采用Melbourne-Wǜbbena(MW)无电离层组合与电离层残差法。地面静态观测数据的周跳比通常会大于200，星载接收机处于高动态环境中，由于低轨卫星运动速度快、相邻历元间电离层延迟变化较大、接收机空间环境差、多路径效应影响等原因，会造成星载观测数据的不连续性或卫星信号的失锁，从而导致星载数据会较之地面观测数据存在更多的周跳。周跳比越大、周跳个数越少，低轨卫星定轨精度越高。

1.6 信噪比

数据的信噪比SNR是指接收的载波信号强度与噪声强度的比值，单位为dBHz。信噪比能够反映接收信号的质量，地面接收机的数值一般在45 dBHz左右，其值越高，相应的数据质量越好[9-10]。

2 实验与结果分析

本文选取FY3C卫星2016-06-08—2016-06-17(年积日第160天至第169天)共10 d的星载GPS/BDS观测数据进行质量评估。

2.1 卫星可见性

年积日第160天的星载GPS、BDS观测数据可见性情况如图1、图2所示。

由图1和图2可知：FY3C卫星星载接收机最多能接收到6颗BDS卫星和12颗GPS卫星；BDS数据存在较长时间缺失的情况。表1为卫星数与历元的统计百分比。

星载BDS数据平均超过60 %的历元可见卫星数少于3颗，无法进行卫星轨道解算；星载GPS数据每个历元观测到的导航卫星数基本为7～12颗，比例接近80 %，接收机的性能良好。

表1 FY3C星载数据卫星可见数百分比统计

2.2 数据利用率与有效率

星载GPS、BDS数据的利用率和有效率情况如图3、图4所示。

由图3和图4可知：FY3C卫星星载GPS数据的利用率接近100 %，数据的有效率较低，平均为74 %；星载BDS数据的利用率较低，平均为88 %，有效率较好。

2.3 多路径误差

星载GPS、BDS数据的多路径误差如图5、图6所示。

由图5和图6可知：FY3C卫星星载BDS数据L1频率上的多路径误差较大，L2频率上的多路径误差低于GPS数据。

2.4 信噪比

星载GPS、BDS数据的信噪比情况如图7、图8所示。

由图7和图8可知：FY3C卫星星载BDS数据L1频率上的噪声略低于GPS数据；L2上的噪声略高于GPS数据；信噪比均在正常范围内。

2.5 周跳比

星载GPS、BDS数据的观测值与周跳比的情况如图9、图10所示。

由图9和图10可知，FY3C卫星星载BDS数据与GPS数据的周跳比在相同数值水平。

2.6 评估指标平均值统计

表2总结了FY3C卫星星载GPS/BDS数据的质量评估结果。

表2 FY3C卫星星载GPS/BDS数据评估指标平均值统计

由表2可知：星载BDS数据的利用率低于星载GPS数据，有效率高于GPS数据，原因是观测数据量的差异；星载BDS数据在L1频率上的多路径误差大于星载GPS数据，其他评估指标正常。

3 结束语

本文主要介绍了星载GPS/BDS观测数据评估指标及其目的。通过对FY3C卫星回传的实例数据评估了星载GPS/BDS数据的质量特征。星载BDS数据的利用率低于GPS数据，说明接收机数据丢失较多；而有效率高于GPS数据，原因是观测数据量的差异：当二者同时达到一定水平则可说明接收机的性能较好。在多路径误差方面，星载BDS数据的多路径误差数值与GPS数据接近。通过信噪比、周跳比与电离层变化率数值的比较，结果说明星载BDS的数据质量接近GPS数据。

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