北斗觀測數據的質量檢查與分析

白征東，吳剛祥, 任 常

(清華大學 土木工程系，北京100084)

一、引 言

GNSS定位過程中，不可避免地會受到多種誤差的影響，如電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應等[1]。因此，在實現GNSS精密定位前，有必要對GNSS觀測數據進行質量檢查和分析，以減弱、消除各種誤差因素對定位結果的影響。

目前國際上公認比較優秀的質量檢查軟件是由UNAVCO研制開發的GPS/GLONASS數據預處理軟件TEQC[2-3]，它的主要功能包括格式轉換、編輯和質量檢查。利用TEQC進行質量檢查可以反映出觀測數據的衛星信號信噪比、接收機周跳、電離層延遲，以及多路徑影響等方面的信息[4]。TEQC功能強大、簡單易用，但它只能處理GPS/GLONASS的觀測數據，不能處理北斗觀測數據。

我國的北斗衛星導航系統目前已正式投入運營，但國內外針對北斗觀測數據所進行的質量檢查研究工作還較少。因此，對北斗觀測數據進行質量檢查算法研究和實例分析，將具有重要的理論意義和實際意義。本文討論了北斗觀測數據質量檢查的內容及實現方法，并進行了實例分析。

二、質量檢查內容與方法

觀測數據的質量檢查內容包括衛星信號信噪比、接收機周跳、電離層延遲，以及多路徑影響等方面的信息，其中電離層延遲和多路徑效應是影響觀測數據質量的主要因素，對觀測數據質量的影響較為明顯。

質量檢查算法流程如圖1所示。

1. 周跳探測與修復

本文比較分析了幾種常見的周跳探測與修復方法[5-8]，選取了多普勒模型進行周跳的探測與修復。

多普勒觀測量十分穩定，它反映了載波相位的瞬時變化率，但不容易受載波相位影響，因此可利用多普勒觀測值來進行周跳的探測與修復。

利用多普勒值探測周跳的模型[8]為

式中，Bk為第k歷元的載波相位觀測值；Dk為第k歷元的多普勒觀測值；dt為第k-1歷元與第k歷元之間的時間間隔；ΔN3為多普勒檢驗量。

2. 電離層延遲

對于雙頻數據，常使用雙頻偽距或載波相位求電離層延遲。但是，利用偽距觀測值求得的電離層延遲精度較差；利用載波相位觀測值求電離層延遲時，會遇到周跳的探測與修復、整周模糊度的確定等問題[9]。

為提高電離層延遲改正精度，同時避免整周模糊度的求解問題，可采用載波相位平滑后的偽距來作為偽距觀測值，求解電離層延遲。求得平滑過的偽距差P1-P2后，即可得電離層延遲為[10]

3. 電離層延遲變化率

電離層延遲變化率用來監測載波B1、B2上電離層延遲隨時間的突然變化。其計算公式為

電離層延遲變化率與電離層變化有關，也與衛星的運動有關，不過由于衛星軌道高度較大，衛星運動變化相對比較緩慢，電離層延遲變化率主要由電離層狀態決定；在絕大多數情況下，電離層變化緩慢，其變化率也非常小。一般認為，當電離層延遲率大于4 m/min時，該處存在周跳。

4. 多路徑效應

通過雙頻偽距觀測值P1、P2，載波相位觀測值B1、B2，可建立一個分析多路徑效應的模型，從中可求得多路徑誤差指數MP1、MP2，探索多路徑誤差的變化規律。

聯合偽距觀測方程及載波相位觀測方程，可得[2]

(4)

(5)

其中

式(4)、式(5)中，P1、P2為偽距觀測值；B1、B2為載波相位觀測值；M1、M2為偽距多路徑效應；m1、m2為載波相位多路徑效應；n1、n2為整周模糊度；f1、f2為信號頻率；λ1、λ2為載波波長。

觀測數據無周跳時，L1、L2為常量, 此時m1、m2遠小于M1、M2，MP1、MP2主要由偽距多路徑效應決定，可反映多路徑效應的影響變化程度。當觀測數據中含有周跳時，首先需要進行周跳的探測與修復。

通常認為多路徑效應以5～10 min為周期發生規律變化[4]。本文假定多路徑效應的變化周期為5 min，依次計算最近5 min MP1、MP2的平均值，然后在MP1、MP2中去掉該平均值，計算得到的值作為多路徑效應波動的結果輸出。

三、實例分析

為驗證質量檢查算法的有效性和可靠性，本文選取了北斗觀測數據進行了實例分析。觀測日期為2012年3月5日，開始時間為01∶06∶25，結束時間為10∶22∶28，觀測時長9.268 h，采樣間隔為1 s，理論觀測數據量為33 363個。

圖2為當天觀測時間段北斗衛星的可觀測歷元狀況。

圖2 北斗衛星觀測歷元統計圖

由圖2可知，觀測歷元在2 h附近有時長為半個小時的間斷，表明在這段時間內，接收機沒有接收衛星觀測數據。實際觀測數據量為30 158個，數據利用率為90.4%。

本文采用筆者編寫的質量檢查程序，對北斗6號衛星進行質量檢查。

采用多普勒模型對觀測數據進行周跳的探測與修復。圖3—圖6分別為修復1周以上的周跳前后北斗6號衛星B1、B2多普勒檢驗量ΔN3變化圖。檢驗量閾值取為1。

圖3 B1上檢驗量ΔN3變化圖

圖4 B2上檢驗量ΔN3變化圖

圖5 修復周跳后B1上檢驗量ΔN3變化圖

圖6 修復周跳后B2上檢驗量ΔN3變化圖

采用多普勒模型得到當天觀測數據周跳數為19，周跳比o/slps =1587。

北斗6號衛星信噪比、電離層影響及多路徑效應等方面的結果如圖7—圖12所示。

圖7 北斗6號衛星B1信噪比sn1

圖8 北斗6號衛星B2信噪比sn2

圖9 北斗6號衛星電離層延遲ion

圖10 北斗6號衛星電離層延遲變化率iod

圖11 北斗6號衛星多路徑MP1

圖12 北斗6號衛星多路徑MP2

由圖7、圖8可知，B1、B2載波觀測值的信噪比在30～60之間，說明信號良好，電離層活動較為穩定。隨著衛星高度角的減小，衛星信噪比逐漸減小。

由圖9可知，隨著衛星高度角減小，電離層延遲ion逐漸增大，說明衛星高度角減小時電離層影響逐漸增大，ion最大取到了11 m。

由圖10可知，電離層延遲變化率iod非常小，絕大多數在2 m/min以內，說明電離層狀態變化穩定，當衛星高度角減小時，iod有了比較明顯的增大，說明電離層影響在增大。

由圖11、圖12可知，MP1、MP2很小，大多數在0.5 m以內，說明多路徑效應比較小，接收機及周邊采集環境抗多路徑能力較強；但隨著衛星高度角的減小，多路徑效應有逐漸加劇的趨勢。

表1對北斗6號衛星各個高度角范圍內的質量檢查結果進行了統計。

四、結束語

本文對觀測數據質量檢查的內容及實現方法進行了討論，并著重對周跳探測與修復、電離層影響、多路徑效應等質量檢查內容進行了算法研究。本文利用筆者編寫的質量檢查程序，對實測的北斗觀測數據進行了質量檢查，得到了數據利用率、衛星信號信噪比、接收機周跳、電離層延遲，以及多路徑影響等方面的信息。質量檢查的結果表明，隨著衛星高度角的減小，衛星信噪比降低，電離層延遲和電離層延遲變化率變大，說明電離層影響逐漸增大，多路徑影響也逐漸加劇。利用本文所述的質量檢查方法，可以分析北斗觀測數據的質量情況，了解測站周圍的環境狀況及儀器的穩定性。隨著北斗衛星導航系統的建設與發展，本方法可在北斗觀測數據質量檢查工作中得到進一步的應用。

表1 北斗6號衛星質量檢查結果統計

參考文獻：

[1] 李征航, 黃勁松. GPS 測量與數據處理[M]. 武漢：武漢大學出版社, 2005: 38-39.

[2] ESTEY L H, MEERTENS C M. TEQC: The Multi-purpose Toolkit for GPS/GLONASS Data[J]. GPS Solutions,1999，3(1)：42-49.

[3] TEQC. The Toolkit for GPS/GLONASS/Galileo/SBAS Data[EB/OL].[2013-02-03].http:∥facility.unavco.org/software/teqc/teqc.html.

[4] 范士杰, 郭際明, 彭秀英. TEQC 在 GPS 數據預處理中的應用與分析[J]. 測繪信息與工程, 2004, 29(2): 33-35.

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[9] 王虎. GPS 精密單點定位中電離層延遲改正模型的研究與分析[D]. 長沙: 中南大學, 2008: 25-26.

[10] HOFMANN-WELLENHOF B, LICHTENEGGER H, WASLE E. Global Navigation Satellite Systems-GPS, GLONASS, Galileo, & More[M]. New York: Springer-Verlag Wien, 2008: 113-116.