BDS/Galileo系统观测数据质量分析

谭理庆,黄亮,杜仲进,叶世榕,夏凤雨

(1.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心,湖北 武汉 430079; 2.中国民航科学技术研究院法规标准研究所,北京 100028; 3.福建省测绘院,福建 福州 350003)

0 引 言

较早建成的美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统一直在导航定位领域起着重要作用．近年来,随着导航系统重要性的提升及导航卫星事业的飞速发展,许多国家和地区也纷纷建立起自己的卫星导航系统,目前主要有中国的北斗卫星导航系统(BDS)、欧盟的Galileo(下文简写为GAL)系统,印度的NavIC系统及日本的QZSS系统．其中中国的BDS及欧盟的GAL系统发展最为迅速,BDS在2018年已基本完成系统建设,开始提供全球服务,正式迈入全球时代;随着2018年最后4颗伽利略卫星的发射并进入预定轨道,标志着GAL系统完成组网．可以预见,BDS及GAL系统不久将在全球卫星导航定位领域起着重要作用．观测数据的质量直接关系到BDS/GAL系统的可靠性、稳定性、可用性及定位的精度,并间接影响到两系统的全球化应用进程,因而对BDS/GAL系统观测数据的质量评估是一个很有意义且必要的工作．

目前在观测数据质量检测及预处理方面的软件主要有:TEQC、GFZRNX、BNC、G-nut/Anubis等[1]．由UNAVCO Facility研发的TEQC软件只能检核GPS/GLONASS双系统的观测数据,无法处理BDS/GAL系统的观测数据且不能处理RINEX 3.XX版本格式数据[2];德国地学中心研发的GFZRNX软件可以进行数据格式转换、简单的质量检核和统计,但没有相应的可视化程序[3-4];由GNSS Data Center(GDC)研发的BKG Ntrip Client(BNC)可以进行基本质量检核,但目前主要针对传统信号、频点的数据质量分析,未对新信号、新频点的特性展开分析[5];由捷克国家大地测量、地形与地图制图研究所开发的G-nut/Anubis软件可以实现对GPS、GLONASS、GAL、BDS、SBAS、QZSS和NavIC系统多频点观测数据的质量检核与分析,并配有相应可视化程序[6-8]．本文采用G-nut/Anubis软件对BDS/GAL系统观测数据进行质量检测分析,本文处理数据的配置文件部分参数如表1所示．

表1 配置文件参数

1 数据分析指标及原理

本文主要从数据可用率、数据完整率、伪距多路径、周跳数及信噪比五个方面来综合评估BDS/GAL系统的观测数据质量．

1.1 数据可用率

观测数据的可用性是任何全球卫星导航系统(GNSS)应用的先决条件,也是衡量卫星星座是否具有全球服务能力的重要指标[9]．在G-Nut/Anubis软件中站点观测数据可用率定义为

(1)

式中：Rua表示数据可用率；expEp表示使用预定义的采样间隔在一段时间内的预期观测历元数;UseEp表示相应星座至少4颗卫星可见并具有双频观测数据的观测历元数．

1.2 数据完整率

观测数据的完整性是进行数据处理及其他应用服务的前提,也是评估GNSS观测数据质量的重要综合性指标．数据完整率不仅受接收机性能、卫星工作性能的影响,还受观测站周围环境的制约[10]．数据完整率可由式(2)计算:

(2)

式中：RCP为数据完整率；expObs为在给定采样间隔的观测时段内,特定波段和信号的预期观测数；HavObs表示观测文件中的实际记录观测数．

1.3 伪距多路径

经测站周围物体反射后的卫星信号,和直接来自卫星的直射信号一起进入接收机天线并产生干涉,导致观测值偏离真值,观测值与真值的差值即多路径误差．多路径效应将严重损害GNSS测量精度,严重时还将引起信号的失锁．伪距观测值的多路径效应最大可达到0.5个码元宽度,而载波相位的波长约为伪距的1/1000,载波相位观测值的多路径效应误差一般不超1/4波长,因而伪距多路径误差要比载波相位多路径误差大得多,约为其200倍,载波相位观测值的多路径影响可以忽略[11]．G-Nut/Anubis在对伪距多路径效应进行计算时采用了新的通用公式,通过载波相位观测值和伪距观测值线性组合求得所有频率伪距的多路径误差,计算公式具体如下[12]:

急性心肌梗死患者经冠脉介入术后恶性心律失常的危险因素分析………………… 徐辽杭 程震锋 李国洪 等（2）199

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLj，

(3)

(4)

1.4 周跳数

载波相位观测值中的整周计数暂时中断出现系统偏差,而不足一整周的部分仍然保持正确的现象,称为周跳[13]．在一定观测时间内,载波相位观测量发生周跳次数即为周跳数．周跳数可作为载波相位观测数据质量的重要指标,在一定程度上反映了由于卫星信号失锁、电离层活动强烈、信号信噪比过低等导致载波相位观测值发生跳变的情况,跳变越厉害,载波相位观测值质量越差．G-nut/Anubis软件中探测周跳的方法是利用伪距、载波观测值进行Geometry-free(LG组合)、Melbourne-Wubbena(MW组合),并利用组合值在历元间求差,当差值大于给定阈值则认为该历元发生周跳[14]．

1.5 信噪比

信噪比表示接收机接收到的卫星信号的功率与噪声功率的比值,通常用载噪功率密度比(C/N0)表示,单位dB·Hz．信噪比是反映载波相位观测质量的重要指标,也是反映接收机信号搜索、跟踪及观测值定位解算质量的一个重要技术参数．天线增益参数、接收机中相关器的状态、多路径效应、接收机内部抑制噪声的能力等因素都会对信噪比造成影响[15]．信噪比越大,表示卫星信号越好,接收机接收卫星信号的效果越好．

2 数据来源

为了评估BDS/GAL系统的观测数据质量,本文选取了21个分布在全球各不同地区MGEX跟踪站,跟踪站分布如图1所示．并选取各跟踪站2019年年积日066—076,采样间隔为30 s的观测数据作为实验数据进行相关分析,各跟踪站接收机、天线类型如表2所示．表3示出了本次实验中各系统频段及其相应多路径,各频段上频点及频点信噪比对应关系．

图1 实验选用MGEX跟踪站分布

表2 实验选用MGEX跟踪站设备类型

表3 各系统频段对应的多路径及相应频点对应的信噪比

3 实测结果与分析

图2 数据可用率平均值

根据接收机类型,分别统计相应MGEX站各系统频点上11天的数据完整率均值,由于相位和伪距观测值的完整率十分相近,因此仅绘制各频段相位观测值的完整率．图3、4分别示出配备TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5型接收机跟踪站的数据完整率均值．从图3、4可观察到,GAL系统各频段数据完整率十分接近,基本都在90%以上,整体优于其他两系统．BDS因接收机类型不同,数据完整率表现出很大差异性,但L2I整体优于L6I、L7I．GPS系统中L1C、L2W具有较高的数据完整率,和GAL系统中各频段值相近;在TRIMBLE NETR9跟踪站上,L2频段上L2X频点数据完整率低于L1C,但优于相应L5频段上L5X频点;在SEPT POLARX5跟踪站上,L2L数据完整率高于L5Q,但低于L1C．还可发现在TRIMBLE NETR9跟踪站上,BDS L2I及L6I的数据完整率大多低于GPS L1C及L2W,但高于GPS L2X及L5X;在SEPT POLARX5跟踪站上,GPS L1C及L2W的数据完整率稍高于BDS L2I及L7I,但GPS L2L及L5Q都低于BDS L6I．

图3 TRIMBLE NETR9跟踪站数据完整率均值

图4 SEPT POLARX5跟踪站数据完整率均值

各跟踪站上BDS/GAL/GPS 11天发生周跳数均值如图5所示．可以观察到,GAL系统发生周跳数最小;大部分跟踪站GPS周跳数都大于BDS．GAL系统周跳数最大的跟踪站为OWMG,分析发现各频段周跳数比较接近．GPS系统发生周跳较多的跟踪站有UCAL、KZN2、POHN,分析表明周跳极大部分发生在L1C、L2W两个频点上．BDS系统发生周跳较多的跟踪站有DYNG、JFNG、MAYG、MCHL、METG、TLSE、XMIS;分析发现各站周跳主要发生在BDS地球静止轨道(GEO)卫星上,且L2I、L7I两个频点上周跳数略大于L6I;DYNG、MCHL极大部分周跳发生在C02卫星上,JFNG、TLSE、XMIS集中在CO5卫星上,MAYG则集中在C03卫星上,CO2、CO5卫星共同导致METG站上周跳较多．

图5 各跟踪站周跳数均值

多径效应通常被认为是随机误差,它们根据反射表面的特性而不同并且难以校正．多路径效应的出现,会导致接收机采集伪距值存在偏差,使定位结果不准．图6示出了跟踪站各频点11天多路径效应的平均值．从图中可以发现,极大部分跟踪站BDS、GAL系统中各频段多路径效应都在35 cm以下,GPS则在20～40 cm．BDS系统中B1频段上多路径效应MP2最大,B3频段上的多路径效应MP6比B2频段上多路径效应MP7略小．GAL系统E5a、E5b两个频段多路径效应MP5、MP7大致相当,其值大多分布在30 cm上下;E1频段多路径效应值MP1整体小于前两个频段,多数值在25 cm左右;E5频段多路径效应MP8最小,所有值皆小于15 cm．GPS系统中L1频段多路径效应MP1值最大,多数在30～46 cm;L2、L5频段多路径效应MP2、MP5相差不大,大部分跟踪站值在29 cm上下．从图6中还可观察到,GAL MP1值小于BDS MP2和GPS MP1值,后两者在同一水平;GAL MP8是所有多路径效应值中最小的．

信噪比反映了卫星信号的质量．图7、8分别示出了配备TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5型接收机跟踪站上各频点11天的信噪比均值．观察两图可以发现,在两型接收机跟踪站上各系统信噪比值极其相似．以TRIMBLE NETR9跟踪站为例,从图7可以发现,BDS三频的信噪比大体相近,平均值均能达到40 dB·Hz 以上,分布在40～50 dB·Hz;GAL系统E5频段上相应信噪比S8X是该系统信噪比最大值,平均值能达45 dB·Hz以上;E1频段上信噪比S1X是该系统中最小的,但平均值也能达40 dB·Hz;E5a频段上信噪比S5X与E5b频段上信噪比S7X相近．GPS系统中L2频段上L2W信噪比最低,均值比30 dB·Hz略大;L5频段信噪比S5X最高,均值在45～50 dB·Hz;L1频段上信噪比S1C与L2频段上信噪比S2X相差不大,均值在40～45 dB·Hz．

总体上GPS L5、GAL E5频段信噪比相当,是所有频段中较高的;GPS L2W频点信噪比是所有频点中最低的;BDS三频,GAL系统中E5a、E5b,GPS中L1及L2频段上L2X、L2L信噪比十分接近,在同一水平上．

图6 各跟踪站多路径效应均值

图7 TRIMBLE NETR9跟踪站信噪比均值

图8 SEPT POLARX5跟踪站信噪比均值

4 结 语

目前,中国的BDS已开始提供全球定位服务,欧盟GAL已全球组网完成．本文采用了21个分布在全球各地MGEX跟踪站连续11天多系统多频的观测数据,从数据可用率、数据完整率、周跳数、多路径效应、信噪比五方面详细分析了BDS、GAL系统观测数据质量,并同已成熟许久的GPS系统在相应方面进行对比分析．分析结果表明:

1)BDS、GAL系统数据可用率与GPS系统基本一致,除个别跟踪站外都能达到100%,这表明BDS、GAL系统已具备全球服务的能力．

2)GAL系统的数据完整率、信噪比略高于BDS、GPS系统,且多路径效应值和周跳数较小．这与GAL卫星信号播发功率更高,并且在信号调制中采用了BOC的调制方式具有很大关系,相较于BDS/GPS大多采用BPSK或QPSK方式调制的信号,具有更强抗干扰及多径的能力并更加易于捕获,使得接收到的卫星信号质量更高．

3)BDS在数据完整率方面因接收机类型原因表现出很大的差异性,BDS各频点数据完整率和GPS系统中数据完整率高的频点还有差距,但随着BDS采用BOC方式新调制信号的使用,BDS系统的数据完整率一定会进一步提高．

4)大部分跟踪站BDS系统发生周跳数小于GPS系统,BDS、GPS系统伪距多路径效应值上相差不大;在信噪比方面,BDS系统各频点和GPS系统中频点相当甚至更好．

总体上,GAL系统数据质量稍优于BDS/GPS,BDS和GPS基本上处于同一水平．