GNSS多頻數據質量分析軟件設計與實現

李俊毅,鄧啟林,李軍正

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450002;2.61243部隊, 烏魯木齊 830006)

GNSS多頻數據質量分析軟件設計與實現

李俊毅1,鄧啟林2,李軍正1

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450002;2.61243部隊, 烏魯木齊 830006)

摘要：在GNSS導航和定位過程中,GNSS數據質量的好壞直接影響著GNSS的導航定位精度。目前能夠比較全面的分析GNSS數據質量的軟件以Teqc最為出名,但Teqc是一個控制臺程序,操作不便,且對我國北斗導航系統的數據格式不支持,已經不能滿足當前GNSS數據質量分析的需求。本文從實際需求出發,設計實現一套多頻數據質量分析軟件,可以從數據觀測噪聲、幾何精度因子、電離層延遲、對流層延遲、多路徑、偽距平滑殘差等多個方面對觀測數據進行質量分析,能夠滿足當前對于北斗系統數據質量分析的要求。

關鍵詞：數據質量;電離層延遲;對流層延遲;多路徑

0引言

GNSS設備由于在體積、重量、價格、自動化程度等方面具有巨大優勢,目前已經廣泛應用于交通運輸、農林、漁業、災害監測與預報、工程測量、海洋測繪、氣象學等各個行業領域。隨著應用的領域拓展,GNSS設備也面臨著各種各樣的觀測條件,而GNSS信號在傳播、測量過程會受到多種誤差源的影響,為了給用戶可靠的導航、定位或授時服務,非常有必要對GNSS數據質量分析、修正以確保用戶可以獲得滿意的服務。目前國外的主流數據質量分析軟件主要針對的是GPS、GLONASS的觀測數據,對于我國的北斗數據支持不好[1-5]。一些國內廠商開發的軟件通用性較差,因此,必要研制一套通用性較強,能夠很好兼容北斗數據質量分析的軟件。基于這個目的本人設計實現了一套GNSS多頻數據質量分析軟件。

1數據質量分析的數學模型

1.1多路徑效應誤差

多路徑效應是指GNSS接收機除了直接收到的衛星信號之外,還收到經其他物體反射的衛星信號,兩種信號的疊加會使觀測結果偏離“真值”,這種現象稱之為多路徑效應,帶來的影響常稱為多路徑誤差[6]。為了分析觀測數據質量,或是檢測接收機的抑制多路徑效應的能力,常常需要提取多路徑效應誤差。從觀測值中提取多路徑的方法有多種,效果較好的是小波分析法[7],但是小波分析法的計算方法較為復雜;比較簡單的方法是觀測值組合法,即通過對觀測值進行線性組合,消去其它誤差的影響,從而提取出多路徑誤差,缺點是不能消除觀測噪聲帶來的誤差。

假定GNSS數據中,L1,L2載波上的偽距觀測量為P1,P2,則兩個碼的多路徑組合觀測值MP1和MP2可以寫為[8]:

(1)

(2)

1.2電離層延遲及變化率

當電磁波信號穿過電離層時,電磁波信號將受到自由電子和離子的影響,使得信號的路徑會產生彎曲,信號的傳播速度會發生變化。信號彎曲引起的距離誤差很小,通常不考慮;由信號傳播速度引起的距離誤差,通常以時間延遲表示。電離層的折射影響使載波的相位傳播速度變快,使偽距的傳播速度變慢。從一階項之后,其高次項數值迅速遞減,如果有雙頻觀測數據,且不考慮高次項的話,則電磁波通過電離層所產生的折射改正與頻率的平方成反比。當用雙頻接收機接收雙頻信號時,由于信號經過的路徑相同,兩個頻率所經路徑的積分值相同。

式中: S為衛星至接收機的真距離; ρ=C×Δt.兩式相減得:

(3)

式(3)即為雙頻電離層改正公式。

在電子總量較大的情況下各個頻率和雙頻組合上的二階項誤差可以達到5cm以上;通常情況下也大于1.7cm[9].因此,對于高精度GNSS定位,對二階項的改正非常必要。隨著衛星導航定位系統的發展,GPS增加了L5頻點,BDS本身就三頻衛星導航定位系統,GALILEO也是三頻。這些條件的具備使可以有足夠的數據來消除電離層延遲的二階項。

(4)

(5)

(6)

式中:I1=∫A1ds,I2=∫A2ds.

式(4)、(5)、(6)兩邊同乘以各自的頻率,兩兩相減可得

(7)

(8)

式(7)、式(8)兩式相比,整理可得電離層無關項

B1δp(f1)+B2δp(f2)+B3δp(f3)=0

(9)

對式(9)進行歸一化處理,令 Ci=fi·Bi/(B1+B2+B3),i=1,2,3,式(9)可寫為

C1δp(f1)+C2δp(f2)+C3δp(f3)=0.

(10)

上式即三頻電離層改正公式,按照式中的系數Ci組合三頻觀測值即可得到改正后的觀測數據,可用于載波和偽距的改正。

1.3數據完整性

數據的完整性指標通常用來反映環境及接收機性能好壞,通常用實際合格觀測值數量比上理論上的觀測值數量來表示[10]

I=Q/T,

(11)

式中: I為數據完整性指標; Q為合格觀測值數目; T為理論觀測值數目。合格性要求包括數據完整,即預先設定的觀測值類型應當都具備,且觀測質量(通常為載噪比SNR)滿足要求。

1.4衛星高度角及方位角

衛星高度及方位角的變化可以幫助用戶分析單個衛星在觀測時段的情況,若某顆星在整個觀測時段中都處于較低仰角,則可以考慮剔除該星的數據。

1.5衛星觀測時段

衛星可見時段是指測站何時可以觀測到指定的衛星,以及可以觀測時間長度等。衛星是否可見取決于衛星的高度角,可以根據用戶的不同需求指定截止角。圖形化的觀測時段可以清晰反映某顆衛星的可見時長,觀測期間的失鎖情況、有沒頻繁失鎖情況出現以及是否有觀測時段過短的情況出現。

1.6可見衛星數時序

一個觀測周期內能夠被測站觀測到的衛星數隨時間的變化。可見衛星數大于或等于4時才能夠進行定位解算。因此,需要可見衛星數的預報,可以根據可見衛星數時序來制定觀測計劃。

1.7信噪比時序

圖形顯示觀測數據中各衛星信號的強度隨時間的變化情況。方便用戶分析衛星信號的受外界因素影響的情況,以便查找原因,制定應對措施。

1.8DOP值時序

精度衰減因子(DOP)來表示衛星空間圖形的貢獻。即使衛星滿足定位條件,DOP較大時也可能導到致較大的定位誤差。我國的BDS系統有5顆GEO同步衛星,在類似一些城市峽谷的地方,可能會出現僅觀測5顆GEO星的情況,此時DOP近似無窮大,定位方程是無解的。因此,有必要對整個觀測時候的DOP值變化情況進行分析。

2軟件設計

本軟件可以分為四個功能模塊,包括:數據導入模塊、數據處理分析模塊、統計分析模塊、報表生成模塊。每個子模塊又可分為若干個子模塊,具體情況如圖1所示。

圖1　軟件功能模塊

軟件的數據錄入模塊主要負責數據格式的標準化,并對數據的中出現的粗差及錯誤進行修復,為下面的數據準備好統一格式的數據。軟件數據處理分析模塊是軟件的核心模塊,它負責多路徑誤差的提取、電離層延遲的計算、數據完整性分析、衛星高度角方位角計算等項目。統計分析模塊是對數據處理分析模塊得到的結果的統計分析,它是對整個觀測時段內的數據質量進行整體評價,為用戶提供一個客觀的數據質量分析評價。報表生成部分主要是將數據分析處理結果及統計分析結果形成圖文詳實的報告,便于用戶數據質量形成一個直觀認識。

3算例

為驗證軟件算法的正確性、兼容性,采用了一組2014年1月27采集于信息工程大學的GPS、GLONASS、BDS三系統數據對軟件的計算結果進行了驗證。限于篇幅,本文僅對數據質量的中的衛星數目變化時序、可見時段、信噪比、多路徑效應四個項目進行了截圖,其結果如圖2～圖5所示。圖3為衛星時序圖及可見時段圖,對觀測區間內衛星的變化時序進行了直觀描述,方便用戶查找、分析數據中的觀測數據不足、失鎖等問題。圖4中分析

在觀測過程中,衛星的星空圖變化情況及在此過程中衛星信噪比變化情況, 并且分別給出了不同頻點的觀測數據變化情況。圖5則示出了不同頻點數據隨時間、衛星位置變化對應的多路徑變化情況。

圖2　觀測衛星數目變化時序圖

圖3　衛星可見時段圖

圖4　衛星信噪比變化時序圖

圖5　多路徑變化時序圖

4結束語

本文對GNSS觀測數據質量分析的方法、內容進行研究,并實現能夠處理GPS/GLONASS/BDS三系統數據質量分析的軟件。軟件針對現有主流的數據質量分析軟件的不足,成功實現了系統綜合處理、可視化顯示、數據質量分析報告自動生成等功能的集成。實際驗證結果表明,軟件圖形顯示清晰明了,功能齊全,能夠完全取代現有GNSS數據分析處理軟件。

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李俊毅(1979-),男,河南通許人,講師,主要從事衛星導航定位數據處理研究工作。

鄧啟林(1978-),男,四川郫縣人,工程師,主要從事衛星導航定位測量及數據處理工作。

李軍正(1973-),男,河南獲嘉人,副教授,主要從事衛星導航定位數據處理研究工作。

GNSS Data Quality Analysis Software Design and Realization

LI Junyi1, DENG Qilin2, LI Junzheng1

(1.InstituteofNavigationandAerospaceTarget,UniversityofInformationEngineering,Zhengzhou450002,China; 2.Troops61243,Urumqi830006,China)

Abstract: GNSS navigation and positioning, GNSS data quality will affect GNSS navigation position accuracy in directly. Now, more comprehensive analysis of GNSS data quality software Teqc was the most famous, but Teqc is a console program, inconvenient, and on China's Beidou navigation system data format is not supported, cannot meet the needs of current GNSS data quality analysis. Based on the actual needs, design and implement a multi-frequency data quality analysis software, data from noise, geometric dilution of precision, ionosphere, troposphere delay, multipath, pseudorange smoothing disabled many aspects, such as the analysis of observational data quality, to meet the requirements of current Beidou system data quality analysis.

Keywords:Data quality; ionosphere delay; troposphere delay; multiplepath

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.010

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)02-0055-05

作者簡介

聯系人： 李俊毅E-mail:Liypetrel@126.com