北斗與GPS數據質量對比分析＊

潘 林，蔡昌盛，戴吾蛟，高 曉

（中南大學測繪與國土信息工程系，湖南 長沙410083）

0 引 言

衛星數據質量分析在測繪工作中是必不可少的，能夠為連續運行參考站的選址以及運行過程中的質量監測提供重要信息，而且也為衛星定位數據處理提供諸多先驗信息［1－4］。TEQC是功能強大且簡單易用的GPS／GLONASS數據預處理軟件，主要功能有格式轉換、編輯和質量檢查［5］。其中，質量檢查模塊能夠很全面的對GPS、GLONASS等衛星系統的觀測數據進行質量分析。但由于北斗衛星導航定位系統發展較晚，TEQC并不能對北斗觀測數據進行質量分析。利用筆者自己開發的類似TEQC的數據質量分析軟件，從多路徑效應、周跳、數據采集率、載噪比四個方面，對空曠環境和樹林環境采集的北斗與GPS觀測數據進行了質量分析。

1 觀測環境與數據采集

如圖1（a）所示，空曠環境觀測點位于中南大學校本部文法樓樓頂，樓高20m以上，地勢很高，周圍十分空曠，沒有任何遮擋物。如圖1（b）所示，樹林環境觀測點位于中南大學校本部文法樓前面，周圍是一片樹林，遮擋很明顯。

采集數據的接收機是由南方測繪公司生產，接收機類型是SouthGps，天線類型是HX－BS405A．空曠環境與樹林環境數據采集都在2012年5月7日進行，它們的觀測時間為1∶30－9∶00（GPS時），時段長度是7．5h，采樣間隔為30s，截止高度角設為10°，采集的觀測數據為北斗和GPS的混合數據。

2 多路徑效應

兩個頻率上的偽距觀測值多路徑效應通常可以通過偽距和載波相位觀測值的線性組合分別求得，其計算公式如下［6］:

式中:MP1、MP2分別表示北斗B1、B2波段上的偽距和載波相位觀測值的多路徑效應組合；Pw為偽距觀測值；B為載波相位觀測值（單位m）；εP為觀測噪聲；M為偽距觀測值的多路徑效應；m為載波相位觀測值的多路徑效應；n為整周模糊度；a＝f21／f22，f為載波相位觀測值的頻率；λ為載波相位觀測值的波長。

如果沒有周跳發生，則C是常量，因為m1、m2遠遠小于M1、M2，所以MP1、MP2主要反映了偽距多路徑效應的影響，偽距多路徑效應可以通過對MP1和MP2求標準差（STD）來進行統計。

多路徑效應值是通過各歷元的MP1、MP2值減去MP1、MP2均值得到的，而MP1、MP2均值是通過5min內各歷元的MP1、MP2值求平均獲得的。但當有周跳發生時，MP1、MP2均值要從發生周跳的歷元重新開始計算。使用TurboEdit方法進行周跳探測［7］。

圖2示出了空曠環境下C01、C09、G22、G31四顆衛星的多路徑（B1／L1）與高度角關系。從圖中可知，C01是地球靜止衛星，高度角在46．41～47．03°變化，所以，多路徑效應在整個時段比較均勻；C09是傾斜同步軌道衛星，其在6∶01－7∶31這段時間內多路徑明顯增大，這是由于較低的衛星高度角的緣故；G22和G31均是GPS衛星，G22在1∶30－2∶11、5∶55－6∶54這兩個時間段內多路徑明顯增加，而G31在2∶42－3∶49這段時間內多路徑明顯更大，也是受到衛星低高度角的影響。根據圖中高度角的變化，在C09、G22、G31這三顆衛星多路徑明顯增大的時間段其高度角基本在35°以下，這反映了低高度角對偽距多路徑效應的影響。

圖3示出了樹林環境下C01、C09、G22、G31四顆衛星的多路徑（B1／L1）與高度角關系。從圖中也可以看出，低高度角信號的多路徑效應顯著更大。相比于空曠環境，在樹林環境下四顆衛星的多路徑統計值都增加了0．3m以上。表1示出了空曠環境與樹林環境下的數據質量指標。從表中可以看出，在空曠環境下，B1／L1上的多路徑在0．3 m以內，B2／L2上的多路徑在0．4m以內，多路徑較小；在樹林環境下，多路徑增加了0．322～0．461 m，多路徑大大增加。樹林環境下多路徑明顯增大是因為衛星信號在穿過樹林時，樹葉容易造成衛星信號發生衍射和反射，從而導致多路徑效應更加明顯。

表1 空曠環境與樹林環境下數據質量指標

3 載噪比

載噪比是指載波信號與噪聲的能量密度之比，是反映載波相位觀測質量的指標之一［8］。由于載噪比和信號強度是息息相關的，文中用信號強度值乘以5來近似表示載噪比值。

圖4示出了空曠環境下載噪比與高度角關系。具體是將高度角每5°劃分，統計這5°內所有衛星載噪比的均值。例如，圖中12．5°處的載噪比值表示10～15°內所有衛星的載噪比均值。從圖中可以看出，除高度角大于60°時L1和B1上的載噪比值相等外，當高度角相同時，L1上的載噪比值最大，B1次之，L2上的載噪比值最小；從圖中還可以看出，隨著高度角的降低，載噪比值明顯減小。圖5示出了樹林環境下載噪比與高度角關系。從圖中可以看出，除高度角小于45°時B1和B2上的載噪比值基本相等外，其他特征基本和圖4相似。從表1可以看出（最后兩列），樹林環境下的載噪比均值均略大于空曠環境，因此可以說樹林環境對載噪比造成的影響是非常小的。

4 周跳與數據采集率

當某歷元兩個頻率上任何一個載波相位觀測值發生周跳則認為這個歷元發生周跳。發生周跳的歷元個數除以歷元總數便得到周跳發生率。只有當兩個頻率上的偽距和載波相位觀測值都可以獲得時則認為這個歷元的數據是有效的，據此計算獲得數據采集率。表1示出了周跳發生率與數據采集率。在空曠環境下發生周跳的頻率（周跳數／數據量）均小于1‰，數據采集率均大于97%，可見空曠環境下數據質量是非常好的。相比于空曠環境，樹林環境下北斗數據發生周跳的頻率增加0．805‰，數據采集率下降4%；GPS數據發生周跳的頻率增加17．993‰，數據采集率下降21%。因此，樹林環境下的數據質量是差于空曠環境的，這主要是因為衛星信號穿過樹林時，樹葉可能遮擋信號，從而導致信號失鎖、數據采集率降低。

從表1中還可以看出，樹林環境下GPS數據質量明顯差于北斗數據。在數據處理中發現，當高度角小于25°時，周跳明顯增多，數據采集率顯著降低，分析認為，當高度角很小時，衛星信號穿過樹林的路徑大大增長，從而更容易造成樹葉遮擋衛星信號。經統計，樹林環境下北斗數據中高度角小于25度的數據量占總數據量的1．01%，而GPS數據中高度角小于25度的數據量占總數據量的11．39%，從而導致樹林環境下GPS數據質量明顯差于北斗數據。

5 結 論

利用空曠環境和樹林環境下實測北斗和GPS觀測數據進行質量分析，通過分析發現:相比空曠環境，樹林環境下的觀測數據偽距多路徑更大、周跳增多、數據采集率降低，數據質量變差，但載噪比并沒有明顯差別，根據這些指標，樹林環境下北斗數據質量要好于GPS．另外，無論是北斗還是GPS，數據質量會隨著高度角的降低而變差。載噪比的分析結果表明，在兩種觀測環境中，GPS L1頻段上的載噪比值最大，北斗B1次之，GPS L2頻段上的載噪比值最小。

［1］ 丁 銳．利用TEQC軟件對GNSS連續參考站選址的數據分析 ［J］．城市勘測，2009（1）:56－59．

［2］ 陳中新，系長元．應用TEQC對GPS連續參考站數據進行質量分析 ［J］．全球定位系統，2007，33（3）:228－231．

［3］ 張亦梅．應用TEQC對湖北省陸態網絡連續站的觀測數據進行質量分析 ［J］．大地測量與地球動力學，2011（31）:94－97．

［4］ 范士杰，郭際明．TEQC在GPS數據預處理中的應用于分析 ［J］．測繪信息與工程，2004（29）:33－35．

［5］ UNAVCOFacility．TEQC Tutorial［EB／OL］．［2009－7－16］http:／／facility．unavco．org／software／teqc／tutorial．html．

［6］ ESTEY L H，MEERTENS，C M TEQC:The multipurpose toolkit for GPS／GLONASS data［J］．GPS Solut．，1999，3（1）:42－49．

［7］ BLEWITT G．An automatic editing algorithm for GPS data［J］．Geophys Res．Lett．，1990，17（3）:199－202．

［8］ 戴吾蛟，丁曉利．基于載噪比及參數先驗信息的抗差模型 ［J］．武漢大學學報，2008（33）:834－837．