iGMAS BDS-3观测数据质量建模与应用

苗 伟 安士凯 徐燕飞 薛 博 赵得荣 李 浩

(1. 煤矿生态环境保护国家工程实验室, 安徽 淮南 232001;2. 安徽省煤矿绿色低碳发展工程研究中心, 安徽 合肥 230601;3. 平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司,安徽 淮南 232001)

0 引言

近年来,全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)技术发展迅猛,目前主流的卫星导航系统包括全球定位系统(global positioning system, GPS)、北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)、格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system, GLONASS)、伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system, Galileo)、准天顶卫星导航系统(quasi-zenith satellite system, QZSS)以及印度区域导航卫星系统(indian regional navigation satellite system, IRNSS)[1]。BDS-3卫星在原BDS-2卫星B1I、B2I、B3I信号的基础上,新增B1C、B2a、B2b新信号[2]。各卫星导航系统之间原理基本相同,但采用的卫星信号频率略有差异,这也为多GNSS卫星导航奠定了基础[3]。

卫星观测数据的质量严重影响着卫星导航的能力[4]。国内外诸多学者采用多种方式对卫星信号数据质量开展了研究,武汉大学谢昕[5]对BDS-3e卫星数据质量的载噪比、伪距多路径和噪声等指标进行了分析,实验结果表明,BDS-3e卫星在观测数据质量方面的表现要比BDS-2卫星更优。杨元喜[6]院士着重从伪距多路径误差与信噪比方面对BDS-3e卫星导航信号的性能进行了评定,得到BDS-3e信号的信噪比值与高度角成正比的结论。并且,在信噪比方面,BDS-3e卫星的表现较BDS-2卫星更好。胡玉坤[7]等采用GNSS数据预处理软件(translation,editing and quality checking,TEQC)对GPS卫星信号数据质量进行了分析。郭恒洋[8]等采用TEQC软件对单基站连续运行参考站数据质量进行了分析。金蕾[9]、杨婷婷[10]等指出TEQC具有交互性差、无法处理与接收机无关的交换格式(receiver independent exchange format 3,RINEX3)的数据等缺点,基于TEQC软件的数据质量分析模块,开发了数据分析检查软件(data quality checking,DataQC),该软件可实现对RINEX2、3格式的BDS/GPS卫星数据的分析处理,但仍然缺少批处理功能,对于处理数据量过多时,其缺点较为明显。

全球连续监测评估系统(international GNSS monitoring and assessment system,iGMAS)是中国为了使BDS更好地服务于用户而发起建设的,其功能与国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)类似。iGMAS在海内外建成并投入使用且正常运行的跟踪站有24个,但目前针对各跟踪站接收BDS-3卫星信号能力的研究相对较少[11]。

基于以上研究存在的问题,本文通过分析TEQC数据处理模块的基本原理,实现了iGMAS多GNSS数据质量分析软件(iGMAS multi GNSS data quality analysis,MGQA)的开发,该软件支持读取RINEX2、3格式的文件、可视化操作界面以及批处理功能。结合iGMAS跟踪站的观测数据,对该软件的性能进行测试以及对iGMAS跟踪接收BDS-3卫星B1C/B2a新信号的能力进行了评价。

1 MGQA软件介绍

MGQA软件是基于公式翻译器语言(formula translator,Fortran)开发的一款可视化数据处理软件,该软件的主要原理与目前用户量最多的数据质量分析软件TEQC类似,数据质量评估指标主要包括数据完整率(data integrity rate，DIR)、信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)、多路径效应误差(multipath effect error，MP)电离层延迟及变化率(ionospheric delay，IOD)、周跳比(cycle skip ratio，CSR)[12-14]。

MGQA软件数据处理功能主要分为两大块：解算多站和解算多天。用户可以根据需要对软件计算时的参数进行设置,具体包括计算的年积日、计算的年份、计算的跟踪站、计算的类型(解算多站或解算多天)等。软件参数设置界面如图1所示。

图1 参数设置模块

2 软件有效性分析

为了验证MGQA软件的有效性,选取iGMAS跟踪站2021-02-07—2021-02-16的GPS观测数据,分别采用TEQC与MGQA软件进行卫星信号数据质量分析。将各指标分析结果取均值后如图2所示。

图2 TEQC与MGQA数据质量分析结果

以TEQC的GPS数据质量分析结果为准确值,对比MGQA与TEQC软件质量分析结果,DIR中误差为0.27、SNR中误差为0.85 dB、MP中误差为0.046 m、IOD中误差为0.01 m/min、CSR中误差为1.67。图2中,为了更直观地对比TEQC与MGQA质量分析结果,将MP值扩大100倍、IOD值扩大1 000倍、CSR值扩大10倍。由图2可知,两种软件的数据质量分析结果具有高度一致性,说明MGQA可以用来评价GNSS卫星信号质量,结果可靠。

3 基于MGQA软件的应用

本节基于iGMAS跟踪站的BDS-3观测数据,利用MGQA软件对其进行数据质量分析,评价iGMAS跟踪站接收BDS-3卫星信号的能力。

实验数据选择：本文按照接收机类型选择了8个iGMAS跟踪站2021-02-07至2021-02-16的观测数据进行质量分析,其采样间隔为30 s。表1展示了8个跟踪站配备的接收机类型。

表1 iGMAS 8个跟踪站接收机类型

3.1 数据完整率分析

为了能获得完整的理论观测值,实验中将卫星高度角设置为0°。图3展示了各跟踪站对BDS-3卫星B1C/B2a信号接收的数据完整率情况。

(a)B1C

由图3可知,对于B1C频点,赫曼努斯站接收C40号卫星信号时,数据完整率为92.18%,低于95%,但仍然高于85%;对于B2a频点,西安站接收C25号卫星时,数据完整率为92.08%,低于95%,但仍然高于85%;赫曼努斯站与西安站均搭载的GNSS-GGR接收机,说明该种类型接收机在数据完整率方面表现不如UB4B0-13478、CETC-54-GMR-4016以及CETC-54-GMR-4011接收机。

3.2 信噪比分析

信噪比分析结果如图4所示。

(a)B1C

由图4可知,对于B1C频点,赫曼努斯站C38与C40号卫星信噪比值分别为38.62 dB与39.34 dB,小于40 dB,其余测站各卫星信噪比值均大于40;对于B2a频点,各卫星信噪比值均大于40 dB;说明4种类型接收机对BDS-3卫星B2a频点信号的接收能力要强于B1C频点。

3.3 多路径效应误差分析

多路径效应误差分析结果如图5所示。

(a)B1C

由图5可知,对于B1C频点与B2a频点,搭载了CETC-54-GMR-4016接收机的卡尔加里站各卫星多路径误差均为最大,说明卡尔加里站周围环境较为复杂,且CETC-54-GMR-4016接收机抗多路径能力较差。

3.4 电离层延迟及延迟变化率分析

电离层延迟变化率分析如图6所示。

(a)B1C

由图6可知,对于B1C频点与B2a频点,搭载了UB4B0-13478接收机的昆明站各卫星电离层延迟变化率最大,但均小于4 m/min,说明UB4B0-13478接收机削弱电离层延迟能力较差。

3.5 周跳分析

周跳分析结果如图7所示，赫曼努斯站与达尔文周跳现象较严重。说明GNSS-GGR接收机与CETC-54-GMR-4011接收机的B1C/B2a频点易发生周跳。UB4B0-13478接收机与BCETC-54-GMR-4016接收机在抑制周跳方面表现良好。

图7 各跟踪站B1C/B2a频点组合周跳比

4 结束语

(1)笔者通过对TEQC软件的数据处理模块进行研究,基于Fortran语言,实现了iGMAS多GNSS数据质量分析(MGQA)软件的开发。该软件的优点在于可支持读取RINEX2、3格式的文件、可视化操作界面以及批处理功能。

(2)通过选取iGMAS跟踪站的GPS观测数据,采用TEQC软件与MGQA软件分别进行数据质量分析,实验结果表明，二者数据质量分析结果具有一致性,验证了MGQA软件的有效性。

(3)通过选取iGMAS跟踪站的观测数据,利用MGQA软件对iGMAS各跟踪站接收BDS-3卫星B1C与B2a信号的能力进行评价。实验发现：GNSS-GGR接收机在数据完整率方面表现不如UB4B0-13478、CETC-54-GMR-4016以及CETC-54-GMR-4011接收机,CETC-54-GMR-4016接收机抗多路径能力较差,UB4B0-13478接收机削弱电离层延迟能力较差,GNSS-GGR接收机与CETC-54-GMR-4011接收机的B1C/B2a频点易发生周跳,且4种类型接收机对BDS-3卫星B2a频点信号的接收能力要强于B1C频点。