北斗卫星全球IGS跟踪站数据质量分析

张宇琳，王友昆,2，余章蓉，丁仁军，寸寿才

(1.昆明市测绘研究院，昆明 650051；2.武汉大学 测绘学院，武汉 430079；3.昆明理工大学 津桥学院，昆明 650106)

北斗导航卫星系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是为满足我国军事、民用对实时高精度定位的需求而建立的卫星导航系统[1]，系统的建设分为3个阶段：1994—2003年建立BDS-1系统，为中国用户提供定位、导航和短报文服务；2004—2012年建立BDS-2系统，期间共发射14颗卫星(5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星)；2020年，我国建设完成BDS-3基本系统，进一步扩展服务区域，为全球用户提供实时定位服务。BDS-3的出现标志着我国成为继美国、俄罗斯之后，第三个拥有自主建设全球卫星定位系统的国家[2]。

国际GNSS服务(International GNSS Service，IGS)是国际大地测量协会为支持全球卫星定位导航技术发展建立的协作组织，截至2009年，IGS地面跟踪站的数量已经达到422个[3-5]，可以为全球大地测量和卫星定位研究学者提供丰富的全球GNSS数据样本和产品。

目前，BDS二代已经建设完成，BDS三代也处于发射完成的后续调整过程中[6-8]，因此，文中利用IGS全球跟踪站点的数据作为研究样本，以BDS二代卫星作为研究对象，分3项指标对可接收到BDS信号的IGS站点进行数据质量分析。

1 IGS站点北斗数据质量分析

1.1 IGS北斗站点分布情况

文中选取IGS全球站点中302个站点2020年DOY165的GNSS数据作为实验样本，其站点分布情况如图1所示。从纬度方向观察，IGS站点主要分布在80°S～80°N之间，其中北半球站点数量为216，南半球站点数量为85。从经度方向观察，东半球站点数量为169，西半球站点数量为132。

将图1的302个IGS站点按照能否接收到BDS卫星信号进行划分，其分布情况如图2所示。可以接收到BDS卫星信号的站点有222个，无法接收到BDS卫星信号的站点有80个，其中东半球可以采集BDS数据的站点有144个，占东半球站点总数的85.2%；西半球可以采集BDS数据的站点有78个，占西半球站点总数的59.1%。

图1 IGS站点分布情况

图2 IGS站点北斗可接收情况

按照洲为单位进一步分析可以发现，欧洲地区可接收到BDS信号的站点最多，北美地区可接收到BDS信号的站点最少。

1.2 北斗数据质量分析指标

对于采集到的数据，首先进行数据完整率统计分析。数据完整率是表现接收机性能和卫星系统数据特征的第一个指标。通过数据完整率，可以判断站点采集的数据在频点、卫星系统指标上是否满足建设的需求，其次关注站点采集时数据丢失的情况，可以反映接收机数据采集的性能。在处理过程中，首先会根据头文件的观测值类型、采样时间间隔和时长判断当前观测值文件理论上具备的观测值数量，之后再统计实际的观测值数量，两者之比即为该观测值文件的数据完整率。

(1)

式中：integrity为数据完整率;Obs_r为实际观测值数量;Obs_t为理论观测值数量。

MP数值反映的是观测信号在某信号频率上多路径效应的影响[9-10]。MP值越小，站点周围环境越好，接收机抗多路径效应的能力越强。多路径效应算式如下：

(2)

式中：Pi为第i频率上的伪距观测值;φi,φj分别为第i和第j频率上的相位观测值;α为第一和第三频率fi,fj之比的平方，即α=(fi/fj)2。

由式(2)可知，传统的多路径误差公式是一种伪距与载波观测值的组合公式。根据式(2)，每一个采样时间点对应一个MP数值，最终可以得到MP数值的时间序列，然后对该时间序列进行STD统计得到最终多路径效应的结果[11-13]。

信噪比是表明GNSS信号强度的一种指标，一般在30～50 dB/Hz之间[14-15]。信噪比的数值越高，表明卫星信号质量越好。目前IGS站点使用的接收机具备输出各个频点信噪比的功能，在进行数据质量分析时，可以直接读取观测文件中的信噪比观测值，用于分析接收机、天线对信号的追踪能力。

2 实验与分析

文中通过FTP协议访问IGS站点的方式进行数据采集，得到的观测数据是crx格式的，需要利用crx2rnx软件进行格式转化，得到Rinex格式的数据。观察得到的Rinex数据文件发现，不同的IGS站点数据格式不一致，转化后得到的文件具有Rinex 3.02、Rinex 3.03和Rinex 3.04等不同版本，利用RTKLIB的convbin软件可以进行数据格式版本统一，将采集得到的数据统一为Rinex 3.02版本。在Rinex 3.02中，BDS数据信息如表1所示。表1中的“t”分别为“I”“Q”“X”，表示不同的信道或码。

表1 Rinex 3.02的BDS数据信息

然后利用自开发的数据质量分析软件，对每个站点BDS数据进行数据完整率、多路径误差和信噪比计算。数据处理策略如表2所示。

表2 实验处理策略

2.1 数据完整率分析

由于卫星播发机制和接收机性能的不同，获取的观测文件中，部分站点数据会存在系统性的频点缺失现象，这种缺失不是站点数据质量较差导致的，需要结合卫星、接收机的拒听情况进行分析，因此，文中将每颗卫星最多能采集到观测值类型数量与历元数的积作为理论观测值数量。222个站点数据完整率的实验结果如图3所示。

图3 IGS站点北斗卫星数据完整率

观察图3可以发现,222个站点的数据完整率分布在13%～100%之间，其中数据完整率达到93%以上的站点有131个，占总站点数量的59.0%，所有测站北斗信号的数据完整率均值为83.0%。对所有站点的数据完整率进行直方图统计，统计结果如图4所示。

图4 IGS站点北斗卫星数据完整率分布

2.2 多路径误差分析

由式(2)可知，采用多路径误差算式得到MP时间序列，需要进一步处理才可以得到所需的站点多路径误差数值。式(2)中运用伪距观测值和相位观测值，而相位观测值由于遮挡或其他情况发生周跳时，MP序列也会出现跳变，因此在进行统计计算时，需要进行预处理，TEQC软件的思路是采用周跳探测结合窗口平滑的方法，文中利用周跳探测方法将序列进行分段，然后进行STD计算处理，得到多路径误差数值。最终得到的汇总结果如图5所示。

图5 IGS站点多路径误差

分析图5可以发现，大量站点的多路径误差分布在0.10～0.5 m之间，部分多路径误差高于0.5 m的标准值，最大的多路径误差可达1.93 m，该值出现在NCKU站点的MP21。同时分析发现GLPS站无多路径误差计算结果，原因是该站点仅接收B1频点的数据，无法进行多路径误差的计算。综合所有测站统计发现，能采集到B1频点数据的站点有222个；能采集到B2频点数据的站点有221个；能采集到B3频点数据的站点有165个，如表3所示。

表3 频点与接收站点数量

为进一步观察MP的分布规律，将多路径误差的结果进行直方图统计，如图6所示。

由图6可以发现，IGS站点不同频点的多路径误差分布存在细微的数值差别，在0.25～0.50 m之间，MP31的站点百分比要远高于其他两个频点；在0.50～2.00 m之间，MP12的站点较多，百分占比最高，但是MP12低于0.50 m的站点较少。其次，所有有效站点3个频点的多路径误差均值分别为1.02 m、0.85 m、0.76 m。

图6 IGS站点多路径误差直方图

2.3 信噪比分析

最后进行北斗3个频点信噪比的统计分析，结果如图7所示。观察图7可以发现，信噪比观测值数量与表3的规律一致，说明所有IGS站点都能采集有效频点的信噪比观测值。

图7 IGS站点信噪比均值

从信噪比的分布规律来看，可以发现不同站点之间信噪比的差值较小，3个频点信噪比的最大值、最小值和均值如表4所示。

表4 3个频点信噪比 dB/Hz

由表4可知，在北斗的3个频点信号中，B2频点的信噪比均值最大，信号强度最好，B1频点的信号在IGS全球站点中最稳定，B3频点的信号强度较大，但是信号强度并不稳定。

3 北斗三代IGS站点的使用

最后文中利用下载的数据，进行全球IGS站点北斗三代数据采集情况的统计。北斗三代分两个阶段建设完成，一是试验阶段，卫星发射时间为2015年3月30日至2016年2月1日，PRN号为C31、C56、C57、C58；二是建设阶段，卫星发射时间为2017年11月5日至2020年6月23日，PRN号为C19-C30、C32-C46、C59-C61。

北斗三代致力于建设全球定位导航卫星系统，因为北斗三代的卫星主要是MEO卫星，包含试验阶段的4颗卫星，整个北斗三代总共有34颗卫星，由3颗GEO卫星(C59-C61)、5颗IGSO卫星(C31、C38-C40、C56)和26颗MEO卫星组成。

此外，北斗三代卫星信号的频率组成也发生变化，与除了兼容表1中的全部频点(将原B1改为B1-2，Rinex识别为C2t、L2t、D2t和S2t)，新增加B1、B2a、B2信号，并对原B2信号增加新的编码。目前，Rinex 3.04中，北斗信号的数据信息如表5所示。

表5 Rinex 3.04的BDS数据信息

统计之前下载的站点数据，发现：可接收北斗二代的站点除CAS1，HRAG，ONS1，TWTF和USN9站外，均可采集北斗三代的数据，其中可采集到北斗三代新信号的站点有64个，可采集到北斗全部信号的站点有28个。

4 结 论

文中介绍BDS的建设进展与IGS全球站点的分布情况，并将IGS全球站点按照能否接受BDS信号进行区分，之后从数据完整率、多路径误差和信噪比3个方面对全球222个IGS站点的BDS数据进行质量分析，并对上述站点的各项指标进行分析，得到BDS二代卫星全球应用的部分规律，同时对IGS站点北斗三代的观测情况进行研究。

通过文中的研究，可以发现：①85.2%的东半球IGS站点可以接收到BDS数据，59.1%的西半球IGS站点可以接收到BDS数据；②222个可接收BDS信号的站点可以接收B1信号的有222个，可接收B2信号的有221个，可接收B3信号的有165个；③可接收BDS信号的站点多路径误差分布有明显区别，3个频点的多路径误差均值分别为1.02m、0.85m、0.76m；④BDS 3个频点中，B1信号最为稳定，B3信号稳定性最差，B2信号强度最大。⑤目前IGS站点中可观测到北斗三代新信号的站点较少，本次实验的302个站点中仅64个站点可采集。