衛星導航數據質量分析

尹子明,孟凡玉,陳明劍,閆建巧,汪威

(解放軍信息工程大學導航與空天目標工程學院,鄭州 450001)

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衛星導航數據質量分析

尹子明,孟凡玉,陳明劍,閆建巧,汪威

(解放軍信息工程大學導航與空天目標工程學院,鄭州 450001)

摘要：在實際應用中,衛星導航觀測數據難免會受到各種不確定環境因素以及系統各因素的影響。數據質量的好壞將直接影響數據分析結果,進而影響最終的導航、定位結果,因此有必要對數據的質量進行全面的掌握。本文對北斗以及GPS衛星導航數據質量進行了研究,提出了質量分析綜合評估指標,對這些指標進行了詳細闡述,并對iGMAS的數據質量進行了分析,從分析結果中可以看出其數據質量滿足iGMAS各項任務的需求。

關鍵詞：質量分析;評估指標;信噪比;多路徑;幾何強度

0引言

我國獨立研發的北斗衛星導航系統是GPS、GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統。由于社會需求的不斷增長和衛星導航系統的發展,衛星導航系統應用于交通、農業、地理信息等越來越多的領域。在實際應用中,觀測數據難免會受到多種因素的影響,包括信號傳播環境的不確定性、衛星以及用戶設備的運行故障、操作人員不規范等因素。雖然,TEQC、BNC等軟件提出了一些質量評價指標可以對衛星導航數據質量進行分析,但目前在理論上仍缺少一個全面的、統一的衛星導航數據質量評估方法,這使得很多數據質量評價工作效率不高,且通用性不強[1]。

本文對衛星導航數據質量進行了研究,提出了衛星導航數據質量綜合評估指標,對這些指標的理論與計算進行了闡述,并對BDS的數據質量進行了分析。

1數據質量綜合評估指標

衛星導航數據質量反映出數據對導航、定位、授時等特定應用的滿足程度。同樣的一組衛星導航數據,對于不同的應用需求、不同的用戶,對于數

據的要求也是不同的。通過研究衛星導航數據的特點以及多項應用對于導航系統的要求,本文將評價體系劃分為如圖1所示的各項指標。

圖1　衛星導航數據質量綜合評估

1.1合用性指標

合用性指標是用來衡量當前的衛星導航數據對于該應用需要的滿足程度,包括時效性、關聯性、可達性等指標[1-2]。

時效性是用來考察衛星導航數據的時間特性對該應用的滿足程度[1]。不同類型的應用對數據的要求也不盡相同。授時等應用一般需要實時數據,對于定軌等應用還需要歷史數據。時效性的計算方法為

(1)

式中: T為時效性; UO為衛星導航數據集中所有未失效的數據個數; AO為所提供的所有衛星導航數據總數。

關聯性是表示衛星導航數據的內容與應用的相符程度[2]。關聯性的計算方法為

(2)

式中: R為關聯性; UOT為觀測文件中已有觀測值類型當中的需求觀測值類型數; DOT為應用或用戶需求的觀測值類型總數。

可達性是用來衡量衛星導航數據量的大小對該應用的滿足程度。可達性的計算方法為

(3)

式中: Re為可達性; UO為能夠提供的有效的衛星導航數據總量; DO為該應用所要求的衛星導航數據總量[2]。衛星導航數據量為各個衛星各個歷元的需求的觀測值類型的數據記錄的總和。

1.2正確性指標

正確性指標可以反應衛星導航數據觀測、記錄、保存的完好程度,包含完整性、連續性等[1]。

完整性是衡量衛星導航數據觀測、記錄、保存的丟失程度。它受到觀測環境、接收機性能以及衛星運行情況等因素的共同影響,可以表示為

(4)

式中: DI為完整性; CO為實際有效觀測數目; PO為理論觀測數目。有效觀測值是指在一個歷元中某顆衛星應具有全部觀測類型的數據觀測值,同時,所有要求頻點的信噪比和衛星高度角都必須大于或等于相應的閾值。

連續性是表示衛星導航數據連續準確記錄的情況。連續性的計算方法為

(5)

式中: CON為連續性; UP為有效數據數目; AbP為數據異常點數表示。

1.3測量精度指標

測量精度指標是用來衡量接收觀測值精度的,而觀測值的精度受多方面因素的影響,例如觀測站周圍的環境、接收機本身的性能、觀測衛星的高度角等。測量精度指標包括:偽距多路徑、信噪比、周跳比、相位觀測噪聲等[3-4]。

信噪比SNR可用來衡量測距信號質量的優劣,主要受到天線增益、接收機噪聲多徑效應影響,間接反映了載波相位的測距精度。通常使用信噪比來表示GNSS觀測數據質量的好壞,信噪比越高,GNSS觀測數據質量越好。

偽距多路徑反映天線周圍各種反射物體對信號造成的附加有不同時延量的反射信號的疊加影響,它受到天線周圍環境、衛星高度角等因素的影響。多路徑效應不僅具有一定周期性,而且具有隨機噪聲的一些特征,因此無法將其與噪聲完全分開。多路徑效應對偽距測量的影響比對載波的影響明顯要大得多,在剔除周跳和模糊度固定后,可以用載波來替代站星距離,因此偽距多路徑效應可以用偽距、載波相位觀測值和整周模糊度來表示[5]:

(6)

(7)

式中: MP1、MP2表示頻點L1偽距和頻點L2偽距的多路徑效應; P1、P2表示偽距； φ1、φ2表示載波相位; N1、N2代表兩個組合中的模糊度; f1、f2為載波的頻率。

周跳比用來衡量觀測值中整周計數的跳變或中斷的情況,可以表示為觀測值總數/周跳數。周跳不僅影響當前歷元的觀測值,還對后續的歷元一直有影響。偽距和多普勒觀測值都不會受到載波周跳的影響,可以用多路徑的跳變或電離層跳變來探測周跳;也可以用多普勒、偽距或其組合來探測周跳。

相位觀測值噪聲主要反映接收的載波鎖相環的跟蹤精度。接收機比衛星的時頻穩定度要低幾個數量級導致接收機出現較為明顯的相位觀測值噪聲[6]。

1.4觀測值幾何強度

衛星導航定位系統對于確定用戶位置、速度等結果的精度不僅取決于偽距、載波、多普勒等測值的好壞,還與衛星數目、用戶和衛星相對位置相關。幾何精度因子(GDOP)表明了定位誤差與測距誤差之間的聯系,反映了衛星數目、接收機與觀測衛星之間的相對幾何關系對導航定位結果的影響。GDOP能夠很好地說明觀測衛星幾何配置的優劣程度。

GDOP參數包括:位置精度因子(PDOP)、水平位置精度因子(HDOP)、垂直位置精度因子(HDOP)和時間偏差因子(TDOP),反映了衛星到用戶的距離誤差與導航定位結果之間的直接聯系。由于這些GDOP項是由協方差得到的,所以相互之間并不是相互獨立的。

從接收機到衛星的單位矢量所組成的多面體的體積與GDOP成反比,假設用戶近似三維位置為(xu,yu,zu),衛星的近似三維位置為(xs,ys,zs),則矩陣H的條件數表示了位置或時間誤差的放大倍數,稱該條件數為幾何精度因子[7]。

(8)

則幾何精度因子GDOP為

(9)

(10)

2實例分析

選取一組實測數據采用上述評估指標進行分析,本文只在正確性和和測量精度方面對數據進行質量評估。數據選取國際全球衛星導航系統監測和評估服務(iGMAS)中BJF1測站時間為2015年4月26日0:00-8:00,采樣率為1s的數據。

iGMAS主要任務是對北斗衛星導航系統運行狀況和主要性能指標進行監測和評估,生成高精度精密星歷和衛星鐘差、地球定向參數、跟蹤站坐標和速率、全球電離層延遲等產品,該任務需求:采樣間隔為1s的連續觀測數據;包含三個頻點的偽距、載波、多普勒、信噪比四種觀測數據類型;截止高度角為10°.

2.1合用性評估

用樣例數據來完成分析當時系統的運行狀況等任務,顯然滿足時效性要求,其時效性為100%;數據包含C2I、L2I、D2I、S2I、C7I、L7I、D7I、S7I、C6I、L6I、D6I、S6I十二種觀測類型，顯然滿足相關性要求,相關性為100%.

表1　BDS各個衛星的可達性

BDS各個衛星的理論數據個數和實際數據個數如表1所示,其可達性為99.65%,數據記錄幾乎未丟失。數據量完全能夠滿足iGMAS對數據量的需求。數據可達性和數據完整性是從數據的不同方面反應數據質量的,存在一定聯系,互相影響。一般情況下,數據可達性和數據完整性具有一致性,但數據總量較低時,在觀測時間段內的數據完整性也可能較高。

2.2正確性評估

BDS各個衛星理論觀測數目和實際觀測數目如表2所示,BDS的數據完整性為99.63%,而GPS的數據完整性為84.25%.其中BDS各個衛星的數據完整性均大于99%,數據的連續性比較好; G16和G26由于大量數據丟失或記錄數據不完整導致數據完整性很差,GPS剔除G16和G26后的數據完整性為95.17%.因為有多余觀測衛星的存在,數據完整性差的數據的數據質量不一定差。

其中G16和G26可能是由于障礙物遮擋、電磁干擾、衛星本身故障等原因導致信號失鎖,也可能由于接收機內部問題或者是通信崩潰,影響到部分衛星的數據完整性。還有接收機短暫關閉后又開啟等因素也會影響數據完整性。

表2　BDS和GPS各個衛星的正確性

2.3測量精度評估

圖2為BDS C03衛星SNR1和SNR2隨衛星高度角的變化圖。其中,C03是GEO衛星,由于受到攝動力的影響,衛星高度角在小角度內浮動;B1、B2兩個頻點上的信噪比始終在45到49 dBHz之間,并且載波B2比B1的信號強度大。

圖3為BDS C10衛星SNR1和SNR2隨衛星高度角的變化圖。IGSO衛星為區域服務衛星,大“8”字形軌道引起的衛星高度角升降變化較小。從總體上看,信噪比與衛星高度角呈正相關的關系,同樣載波B2比B1的信號強度大[3]。信噪比在較短時間內變化不大,一般不會出現較大跳變。

圖2　BDS C03信噪比隨衛星高度角的變化

圖3　BDS C10信噪比隨衛星高度角的變化

圖4和圖5為GPS G14衛星的偽距多路徑隨衛星高度角變化的情況。圖6和圖7為BDS C10衛星的偽距多路徑隨衛星高度角變化的情況。GPS和BDS衛星P2偽距多路徑要略小于P1的偽距多路徑。從圖可知,GPS與BDS衛星的偽距多路徑分布規律基本相同,而且二者數值上也十分相近,都體現出了偽距多路徑的隨機特性。

圖4　GPS G14 P1偽距多路徑效應

圖5　GPS G14 P2偽距多路徑效應

圖6　BDS C10 P1偽距多路徑效應

圖7　BDS C10 P2偽距多路徑效應

2.4觀測值幾何強度評估

GDOP一般是通過衛星和接收機的概略位置計算得到的,可觀測衛星數越多,GDOP越小,越有利于定位結果。但是,接收機到衛星的單位矢量所組成的多面體的體積決定GDOP的大小,因此在可見觀測衛星數量較少的情況下,定位精度也可能較高[7]。圖8為觀測時間段內BDS和GPSDOP值曲線圖。BDS和GPS的各項DOP都比較接近,均能滿足對各自衛星導航系統運行狀況和主要性能指標進行監測和評估,生成高精度精密星歷和衛星鐘差等產品的任務需求,且GPS略優于BDS.

圖8　BDS和GPS DOP值

3結束語

通過對iGMAS中BJF1測站的數據進行質量評估,其數據質量顯然滿足iGMAS各項任務的需求;不同的任務對各項指標的要求不同,例如iGMAS要求所有衛星的數據完整性均大于某一閾值,而對于CORS系統、基線測量等則在有多余觀測的情況下部分衛星的數據完整性可以較差;BDS 與GPS的MEO衛星的多路徑效應都隨高度角減小而增大,BDS 的GEO衛星有著自己的特點。

本文通過研究衛星導航數據質量評估方法的問題,從數據的多維度屬性出發,考查數據在各維度的質量表現,能夠全面反映觀測數據質量,具有通用性;但對質量評估的各項指標沒有進行定權綜合處理,沒有得出一個綜合的數據質量評價數值。

參考文獻

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[2]黃剛,袁滿,吳秀英,等.元數據驅動的數據質量評估體系架構研究[J].計算機工程與應用,2013,49(8):114-119.

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[7]廖春招.GPS衛星坐標計算及幾何精度因子[J].礦山測量,2011(8):29-31.

尹子明(1990-),男,碩士生,研究方向為基于CORS的BDS數據質量分析。

孟凡玉(1971-),男,教授,研究方向為地基增強系統建設。

陳明劍(1976-),男,副教授,研究方向為地基增強系統建設及其應用。

閆建巧(1989-),女,碩士生,研究方向為基于CORS的精密單點定位。

汪威(1990-),男,碩士生,研究方向為地基增強系統差分改正數。

Quality Analysis of Satellite Observation

YIN Ziming,MENG Fanyu,CHEN Mingjian,YAN Jianqiao,WANG Wei

(CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,PLAInformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract:In practical application, the satellite observation is inevitably influenced by many accidental factors. The quality of observation directly affects the results of data analysis, and then affects the final navigation and positioning results, so it is necessary to master the quality of the observation. In this article, the quality of satellite observation is studied, the comprehensive evaluation indexes of satellite observation quality is proposed and described. The BDS observation quality is been analyzed, and the data quality meets the requirements of iGMAS various tasks.

Keywords:Quality analysis; evaluation index; SNR; multipath; GDOP

作者簡介

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)01-0054-06

收稿日期：2015-09-18

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.010

資助項目： 裝備預研基金項目(編號：9140A24011314JB52001)

聯系人： 尹子明E-mail:yzm_whu@163.com