MGEX站北斗数据质量分析和评估

符宏伟

(上海市测绘院，上海 200063)

北斗卫星导航系统(BDS)数据质量分析是进行BDS数据处理的重要前提，数据质量的优劣将严重影响到最终定位的精度[1]，GNSS数据质量分析常用的软件有TEQC、Anubis等[1-2]。国内很多专家对GNSS的数据质量进行了对比和分析，康朝虎等[3]和陈秀德等[4]介绍了Anubis软件的主要功能，并基于该软件分别分析了IGS站和MGEX站的GNSS数据质量，验证了Anubis软件的可行性。SPP定位的结果在一定程度上反映了观测数据的质量，王乾[5]利用北斗双频信号数据进行SPP分析，结果表明水平方向定位精度优于5 m，垂直方向优于8 m。田江博[6]通过北斗B1、B2、B3组合的不同双频数据进行SPP定位分析，得出B1/B3组合时标准单点定位精度优于其他组合。

为了进一步分析多模GNSS实验跟踪网(MGEX)的北斗数据质量，首先，使用Anubis软件以WUH2、URUM的观测数据为例，从卫星数量、卫星可见性、数据有效率、多路径误差、信噪比等方面分析MEGX站的北斗数据质量，然后，利用Net_Diff软件进行SPP实验，分析北斗不同双频组合的SPP定位精度。

1 数据质量分析指标

1.1 卫星可见性

卫星可见性是指地面观测站观测到的可用卫星数量，只有观测到4颗及4颗以上可用卫星时，GNSS才能够实现定位。当卫星数量增多时能够增强卫星的空间几何结构，增加观测值数量，从而改善定位的精度[7-8]。

1.2 多路径效应

多频数据的多路径值可以通过伪距和载波相位观测值的线性组合求得。对于多路径效应，2/3的IGS站MP1均值小于0.5 m，而2/3的MP2均值小于0.75 m[9]。Anubis软件的多路径效应值采用如下通用公式进行计算[10]。

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLi

(1)

(2)

式中，MP为伪距多路径效应；P为双频伪距观测值；L为双频载波相位观测值；f为频率；k，i和j为频率索引。

1.3 数据有效率

数据有效率指实际观测获得的观测数占预期整体应观测到的观测数的比例[9]。

1.4 信噪比

信噪比是衡量测距信号高低的指标，并且间接体现了载波相位的精度[11-12]。信噪比是载波信号强度与噪声强度的比值，单位为 dB-Hz。

2 数据处理与分析

选取MGEX站武汉站(WUH2)、乌鲁木齐站(URUM)2020年第125天的观测数据，WUH2和URUM分别位于湖北武汉和新疆乌鲁木齐，接收机类型均为JAVAD TRE_3，测站原始观测文件为RINEX 3.04，采样频率为30 s，观测数据中包含北斗二号(BDS-2)和北斗三号(BDS-3)的数据。BDS-2能够发送B1I、B2I和B3I频点的数据，BDS-3能够发送B1I、B3I、B1c、B2a和B2b频点的数据，BDS-2与BDS-3的数据质量进行对比时，应剔除对应的卫星。本文B1I-2、B3I-2为BDS-2的频点，B1I-3、B3I-3为BDS-3的频点。

卫星可见性是否满足定位的最低要求是进行GNSS数据质量分析和定位的前提。分析原始观测值各观测历元的卫星数量和各卫星PRN号在各时刻的可见性，分析结果如图1所示。

图1 WUH2和URUM第125天的卫星数量和卫星可见性

由图1可知，WUH2站全天可见卫星数量均在4颗以上，表明在任意时刻均能实现GNSS定位，URUM站大部分时刻都能接收到7颗以上卫星，个别时刻可见卫星低于4颗，表明URUM站在这些时刻不能实现GNSS定位；WUH2最少能接收15颗卫星，最多能接收到22颗，URUM站最多能接收16颗卫星，图1(b)和图1(d)分别为WUH2和URUM站各个卫星在第125天各时间段的可见性。

数据有效性反映的是数据的可利用率，表1和表2分别为WUH2站和URUM站的数据有效性统计，表格中#_Expt为地平线上的预期观测数，#_Have为地平线上的实际观测值，%Ratio为#_Have与#_Expt的比例，Expt>10为10°高度角上的预期观测数，Have>10为10°高度角上的实际观测数，%Rt>10为Have>10与Expt>10的比例。

由表1和表2可知，WUH2站BDS-2的数据有效率明显高于BDS-3的数据有效率，BDS-3各频点水平线上的数据有效率只有68%～77%，而BDS-2各频点水平线上的数据有效率在88%以上，其中,B1I-3频点水平线上的数据有效率最低只有68.72%，高度角10°以上的数据有效率为87.92%，B3I-2频点水平线上的数据有效率最高为91.40%，高度角10°以上的数据有效率为98.67%，URUM站BDS-3的数据整体有效率较高于BDS-2的数据有效率，B1I-3频点的数据有效率最低为77.71%，高度角10°以上的数据有效率为93.38%，B3I-3频点的数据有效率最高为92.49%，高度角10°以上的数据有效率为99.49%，说明BDS-2和BDS-3各频点的数据有效率与测站位置和测站环境有关，与是否为BDS-3无关。

表1 WUH2北斗数据完整性统计

表2 URUM北斗数据完整性统计

多路径误差与测站周围的观测环境和接收机的结构、性能密切相关，分别统计WUH2和URUM站BDS-2和BDS-3不同频点伪距多路径误差，如表3所示。

表3 多路径误差统计表/cm

由统计结果可知，URUM各频点的多路径误差均小于WUH2各频点的多路径误差，由于接收机类型均为JAVAD TRE_3，可见WUH2站周围环境稍劣于URUM站的周围环境，但两个站各频点多路径误差均小于50 cm，满足站点对多路径误差的要求。两个站B3I-2频点的多路径误差最小，B1I-3频点的多路径误差最大，B1I-2比B1I-3大2～3 cm，B3I-2比B3I-3小15～17 cm。为了分析BDS-2卫星和BDS-3卫星的多路径值及多路径误差随卫星高度角的关系，选取WUH2站C02卫星和C26卫星，分别计算B1I和B3I频点的多路径值，结果如图2所示。由图可知，相对而言，C26卫星B3I和B1I频点的多路径值比C02卫星B3I和B1I频点的多路径值大，卫星高度角变化比较大时，多路径误差值也变化比较大。

图2 不同卫星B1I和B3I频点多路径值

由表4可知，BDS-2和BDS-3各频点的信噪比均在40 dB-Hz以上，BDS-3的B2a+b频点的信噪比最大，BDS-3的B1I频点和B3I频点分别比BDS-2的B1I和B3I高2～3 dB-Hz，说明BDS-3的信号强度稍强于BDS-2的信号强度。

表4 信噪比SNR统计表/dB-Hz

为了比较BDS-2卫星和BDS-3卫星的信噪比值及多信噪比随卫星高度角的关系，选取WUH2站C02卫星和C26卫星，分别计算B1I和B3I频点的信噪比值，结果如图3所示。由图可知，C26卫星的信噪比和卫星高度角成正相关，即卫星高度角变小时，信噪比值也将变小。

图3 不同卫星B1I和B3I频点信噪比值

Net_Diff为中科院上海天文台张益泽博士开发的一款GNSS数据处理软件，具有SPP/PPP/RTK等功能。通过使不同的双频组合参与SPP定位解算，由此分析其定位精度，在计算BDS-2的SPP定位结果时，剔除掉BDS-3的卫星，同样，在计算BDS-3的SPP定位结果时，剔除掉BDS-2的卫星。

由Net_Diff软件计算出的WUH2站和URUM站北斗数据不同双频组合SPP定位RMS结果可知，如表5所示，WUH2站各双频组合SPP定位精度较URUM站 SPP定位精度低，可能是由于WUH2数据有效率低，多路径误差大造成观测数据质量比URUM站数据质量低的原因。另外，两个站B1C和B2a的双频组合SPP定位精度最低，除B1C和B2a组合外，其他双频组合SPP定位精度RMS相差不大，不同双频组合WUH2站N方向RMS优于3.5 m，最优可达到3.027 m，E方向RMS优于1 m，最优可达到0.821 m，U方向RMS优于3.2 m，最优可达到2.514 m。URUM站N方向优于0.5 m，最优可达到0.426 m，E方向优于0.6 m，最优可达到0.459 m，U方向优于1 m，最优可达到0.695 m。

表5 WUH2和URUM不同双频组合SPP定位RMS统计表/m

由于BDS-2和BDS-3都能发射B1I和B3I频点的信号，因此，分BDS-2和BDS-3统计B1I和B3I双频组合的SPP的RMS。

如表6所示，WUH2站BDS-2和BDS-3的B1I和B3I组合比单BDS-2的B1I和B3I组合N方向RMS提高了12.2%，U方向RMS提高了3.4%，E方向精度略有降低，比单BDS-3的B1I和B3I组合E方向提高了8.4%，U方向上提高了6.1%，N方向精度略有降低。URUM站BDS-2和BDS-3的B1I和B3I的组合比单BDS-2的B1I和B3I组合N方向RMS提高了32.9%，E方向提高了58%，U方向提高了48.8%，比单BDS-3的B1I和B3I组合N方向提高了52.5%，E方向提高了42.4%，U方向提高了67.6%，由此可得，与单BDS-2和单BDS-3相比，BDS-2和BDS-3组合能提高B1I和B3I双频组合的SPP定位精度，尤其是U方向上的精度。

表6 WUH2和URUM站B1和B3组合与单BDS-2和单BDS-3 SPP RMS对比统计表/m

3 结 论

本文利用Anubis软件从卫星可见性、数据有效率、多路径、信噪比等方面分析了MGEX站WUH2和URUM站年积日第125天的BDS-3和BDS-2各频点的数据质量。同时，利用Net_Diff软件分析了不同双频组合的SPP定位精度，可以得到如下结论:

(1)WUH2站2020年年积日第125天全天满足北斗定位所需卫星数最少4颗的条件，而URUM站个别时刻无法利用北斗卫星进行定位。

(2)数据有效率统计结果表明数据有效率与是否为BDS-2或BDS-3无关；两个MGEX站各频点多路径值平均值均小于50 cm和信噪比值在40 dB-Hz以上，满足相关要求。

(3)与单BDS-2和单BDS-3相比，BDS-2和BDS-3组合能提高B1I和B3I双频组合的SPP定位精度，尤其是U方向上的精度。