亚太地区GNSS多系统三频数据质量评估

冯文涛

(天津天成测绘服务有限公司，天津 300385)

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)近年来得到了快速的发展，2016年开通服务的欧盟Galileo系统、2012年底开通服务的我国北斗二号(BDS-2)以及2018年初正式提供服务的日本QZSS系统，多系统同时提供服务，极大丰富了多系统组合定位的模型，以上导航系统都能播发三频信号[1-5]。导航与定位的准确性、可靠性以及稳定性很大程度上取决于观测数据的质量，因此在进行数据解算前进行数据质量评估是非常必要的，而常规的数据质量评估指标有数据完整率、信噪比以及多路径[6-8]。仲臣等[9]发现BDS系统的数据质量要优于GPS系统数据质量；刘洋等[10]发现在静态相对定位中，BDS的数据利用率、多路径误差优于GPS和Galileo，定位精度优于Galileo而低于GPS，在多系统组合定位中，GPS对BDS定位精度的提升明显优于Galileo，在RTK相对定位测量中，多系统组合定位精度相较单系统定位精度有较大提升，且定位结果更加稳定；谭理庆等[11]发现BDS/Galileo组合已经具备在全球范围内进行导航定位的能力，Galileo数据质量略优于GPS和BDS数据质量，而BDS数据质量与GPS数据质量相当；曲梦雅[12]发现Galileo系统整体的数据质量优于GPS和BDS，而BDS三频信号中存在与高度角相关的系统偏差，在相同高度角下，GEO卫星的伪距测距精度优于IGSO优于MEO；虞顺等[13]发现Galileo系统信噪比与伪距多路径从大到小的关系分别为E5、E1、E5a、E5b和E1、E5b、E5a、E5，单差相位残差在±4 mm内，单差伪距残差在±0.3 m内，数据质量整体略优于GPS和BDS，其单点定位水平精度与GPS和BDS相当，而高程精度略差于GPS和BDS。

针对当前对GNSS多系统三频数据质量对比分析的缺陷，本文基于亚太地区IGS连续跟踪站GNSS多模多频实测数据，从卫星可见数、DOP值、信噪比以及多路径效应等方面对比分析了GPS系统(L1、L2、L5)、BDS-2系统(B1、B2、B3)、Galileo系统(E1、E5a、E5b)、QZSS系统(L1、L2、L5)数据质量。

1 卫星数与DOP值

卫星数是指接收机在接收数据过程能接收到多少颗卫星的数据，通常所接收到越多的卫星数据定位精度越高，反之则越低，甚至不能进行定位。DOP值是重要的定位性能评估指标，是卫星与接收机空间几何结构的影响造成的伪距误差与用户位置间的比例系数，DOP值越小，定位精度越高，反之定位精度则越低。DOP值是卫星空间几何结构的总称，可以进一步详细分为几何精度衰减因子(Geometric Dilution of Precision，GDOP)、位置精度衰减因子(Position Dilution of Precision，PDOP)、水平精度衰减因子(Horzontal Dilution of Precision，HDOP)、垂直精度衰减因子(Vertical Dilution of Precision，VDOP)。首先对比分析GPS系统、BDS-2系统、Galileo系统、QZSS系统平均卫星可见数与平均DOP值，如图1所示。

图1 平均卫星可见数与DOP值

由图1可知，GPS系统与BDS-2系统平均卫星可见数一致，均为11颗；Galileo系统平均卫星可见数较少，只有7颗；而QZSS系统平均卫星可见数最少，只有3颗，不满足一般定位最少需要4颗卫星的条件。对于DOP值，可以发现，虽然BDS-2的平均卫星可见数与GPS一致且多于Galileo，但是BDS-2系统的GDOP、PDOP、HDOP与VDOP均大于GPS系统和Galileo系统对应的DOP值，Galileo系统的DOP值大于GPS系统对应的DOP值，而QZSS系统由于卫星数太少，4个DOP值为0，表明在所测站范围，GPS系统的卫星空间几何构型优于Galileo系统优于BDS-2系统优于QZSS系统。

2 信噪比

信噪比(Single-Noise Ratio，即SNR值)是评估数据质量的主要指标之一，是信号强度与观测噪声之比，反应信号强度的参数。它是整个发射和接收链上的信号增益和损耗的结果，它为各种信号的特征化提供了一个关键的品质因数，要受天线增益参数、接收机中相关器的状态、多路径效应的影响[14]。信噪比可以直接从原始观测数据文件中获取，信噪比值越大，表明观测数据信号强度越强，受到噪声的影响越小，数据质量则越好。鉴于此，本文对GPS系统(L1、L2、L5)、BDS-2系统(B1、B2、B3)、Galileo系统(E1、E5a、E5b)、QZSS系统(L1、L2、L5)三频数据信噪比取平均值进行分析，如图2所示。由于GPS系统和QZSS系统都播发L1、L2、L5频率，为区分两个系统，在频率前加上系统简称，G表示GPS，J表示QZSS。

由图2可知，GPS、BDS-2、Galileo三个系统L1、B1、E1三个频率平均信噪比相当，而QZSS系统L1平均信噪比较高，比GPS、BDS-2、Galileo三个系统L1、B1、E1三个频率平均信噪比高2 dB-Hz左右；GPS、BDS-2、Galileo、QZSS四个系统L2、B2、E5a、L2四个频率平均信噪比从高到低分别为JL2、B2、E5a、GL2，前者平均信噪比比后者平均信噪比高约2 dB-Hz左右；GPS、BDS-2、Galileo三个系统L5、B3、E5b三个频率平均信噪比相当，而QZSS系统L5平均信噪比较高，比GPS、BDS-2、Galileo三个系统L5、B3、E5b三个频率平均信噪比高2 dB-Hz左右。

图2 GPS/BDS-2/Galileo/QZSS三频平均信噪比对比

3 多路径

多路径效应也是评估数据质量的一项重要指标，是指接收机接收到卫星直接发射的信号与经过传播路径上地物多次发射信号叠加所产生的延迟[15]。对GPS系统(L1、L2、L5)、BDS-2系统(B1、B2、B3)、Galileo系统(E1、E5a、E5b)、QZSS系统(L1、L2、L5)三频数据多路径进行分析，如图3所示，由于GPS系统和QZSS系统都播发L1、L2、L5频率，为区分两个系统，在频率前加上系统简称，G表示GPS，J表示QZSS。

图3 GPS/BDS-2/Galileo/QZSS三频平均多路径对比

由图3可知，GPS、BDS-2、Galileo三个系统L1、B1、E1三个频率多路径相当，在±3 m以内，而QZSS系统L1多路径较小，在±1 m以内；GPS、BDS-2、Galileo、QZSS四个系统L2、B2、E5a、L2四个频率多路径相当，在± 2 m以内；GPS、BDS-2、Galileo三个系统L5、B3、E5b三个频率多路径相当，在±2 m以内，而QZSS系统L5多路径较小，在±1 m以内。

根据四个系统三个频率的多路径，进一步计算得到对应频率多路径的RMS值，如图4所示。

图4 GPS/BDS-2/Galileo/QZSS三频多路径RMS值

由图4可知，GPS系统L1频率和Galileo系统E1频率多路径RMS值相当，在0.34 m左右，BDS-2系统B1频率RMS值最高，在0.5 m左右，QZSS系统L1频率多路径RMS值最低，在0.23 m左右；GPS、BDS-2、Galileo、QZSS四个系统GL2、B2、E5a、JL2四个频率多路径RMS值相差不大，从高到低依次为B2、GL2、E5a、JL2，依次相差约0.02 m；GPS系统L5频率和Galileo系统E5b频率多路径RMS值相当且最大，在0.3 m左右，QZSS系统L5频率多路径RMS值最低，在0.17 m左右，BDS-2系统B3频率RMS值在0.27 m左右。

4 结 语

本文基于亚太地区IGS连续跟踪站多模多频实测数据，从卫星可见数、DOP值、信噪比以及多路径等方面对比分析了GPS、BDS-2、Galileo、QZSS三频数据质量，经研究发现：在卫星可用性方面，BDS-2与GPS卫星可见数相当，优于Galileo系统，QZSS系统则最低，而卫星空间几何结构从优到低依次为GPS、Galileo、BDS-2、QZSS，由于QZSS系统卫星可见数较少，所以其对应的DOP值为0。在信噪比方面，QZSS系统的信噪比最大，而GPS、BDS-2和Galileo三个系统整体信噪比情况相当。在多路径方面，GPS和Galileo多路径效应相当，BDS-2系统多路径效应最大，QZSS系统多路径效应最小。