GNSS數據質量分析

李曉光，程鵬飛，成英燕，萬 軍

(1. 遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000； 2. 中國測繪科學研究院，北京 100830；3. 建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京 100007)

GNSS數據質量分析

李曉光1，2，程鵬飛2，成英燕2，萬 軍3

(1. 遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000； 2. 中國測繪科學研究院，北京 100830；3. 建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京 100007)

GNSS載波相位觀測值受觀測噪聲和接收機鐘跳等的影響，其周跳檢驗量序列隨時間發生變化。為構造穩健而又敏感的周跳檢驗量，需對不同系統的衛星數據質量進行分析，而多路徑效應和信噪比則是影響觀測數據質量的重要指標。本文重點分析了GPS與BDS衛星數據的多路徑效應及信噪比,并提出了一種接收機時鐘的鐘跳探測方法，即采用雙頻相位觀測值的O- C值，通過消電離層線性組合進行鐘跳探測。

GNSS；多路徑；信噪比；鐘跳；MGEX

在GNSS載波相位觀測過程中，為構建高質量周跳檢驗量，對多類衛星系統的數據質量分析研究越來越重要。尤其是我國北斗衛星導航定位系統的快速發展，使得對它的研究進一步深入，本文從3個方面分析了各種軌道的BDS衛星數據質量[1]。

1 多路徑效應

多路徑效應是指接收機除直接收到衛星發射的信號外，還同時接收測站附近的物體表面一次或多次反射的信號，這種不同路徑的信號與直接信號疊加，產生的時延效應稱為多路徑誤差。多路徑誤差主要受觀測環境的影響， 偽距的多路徑誤差最大可達0.5個碼元寬度；載波相位的波長短，約為偽距的1/1000，載波相位觀測值的多路徑誤差一般不超過1/4波長，其測量噪聲和多徑效應要比偽距小得多，因此主要考慮偽距多路徑的影響[2]。

相比于偽碼，載波相位的多路徑影響可以忽略，因此，通過載波相位觀測值和偽距觀測值之差來求得偽距的多路徑誤差，觀測方程可表示為

Pi-Li=2Δion,i+MPi-λiNi

(1)

由電離層折射的彌散特性可知，Δion,1和Δion,2有以下特性

(2)

假設兩個頻率的載波在對流層中的傳播路徑相同，則在兩個載波上的電離層延遲可表示為

(3)

將式(3)代入式(1)可得

(4)

由于相位模糊度的存在，得到的多路徑與實際值存在系統性偏差，要求出多路徑的真實量，必須準確地求出整周模糊度，而模糊度的求解復雜，因此采用移動平均的方法計算偽距的多路徑值。在不發生周跳的情況下，兩載波的整周未知數為常數，選擇一個序列，計算出移動窗口內多路徑的平均值，再用偽距瞬時多路徑減去這一平均值，就得到多路徑效應的幅值，獲得正確的多路徑值。

利用KARR、PERT、TOW2測站2016年1月10—12日3 d的觀測數據分析GPS與BDS數據多路徑效應的影響，數據采樣間隔為30 s。

1.1 同一測站GPS與BDS觀測數據多路徑效應分析

選取PERT站2016年1月10日的觀測數據進行分析，圖1 表示PERT站GPS衛星與BDS的MEO衛星多路徑效應隨高度角的變化；圖2 表示PERT站BDS的GEO與IGSO衛星多路徑效應隨高度角的變化。

圖1 PERT站G03與C14衛星多路徑效應隨高度角變化

圖2 PERT站C03與C06衛星多路徑效應隨高度角變化

由圖可以看出，所有衛星在高度角較低時，多路徑效應值相對較大，當高度角升高時，多路徑效應明顯下降；BDS衛星由于其星座的特殊性，多路徑效應表現出與GPS不同的特點，其MEO衛星高度角變化規律與GPS衛星一致；GEO衛星由于其軌道的特殊性，高度角變化較小，多路徑變化較為穩定。

1.2 不同測站BDS各軌道衛星觀測數據多路徑效應分析

BDS系統星座是由GEO、IGSO、MEO 3種不同軌道衛星組成的，選取KARR、PERT、TOW2測站2016年1月10—12日3 d的觀測數據，分別在B1、B2頻點對3種軌道衛星多路徑效應進行分析。

表1表示BDS各軌道衛星B1頻點多路徑效應,表2表示BDS各軌道衛星B2頻點多路徑效應，圖3表示BDS各軌道衛星兩頻點多路徑效應站平均值。由圖3和表1、表2可看出，不論在B1頻點還是在B2頻點，多路徑效應均呈現出GEO

表1 BDS各軌道衛星B1頻點多路徑效應 m

表2 BDS各軌道衛星B2頻點多路徑效應 m

圖3 BDS各軌道衛星多路徑效應站平均值

2 信噪比

信噪比是指載波信號強度和噪聲強度的比值。它主要受天線的增益參數、接收機相關器狀態及多路徑誤差的影響，是反映載波相位觀測質量的指標之一[3]。信噪比可以從觀測文件中直接獲得，其數值越大，表示信號強度越強。

選取KARR、PERT、TOW2測站2016年1月10—15日6 d的觀測數據，分析GNSS不同系統衛星數據的信噪比及北斗各軌道衛星數據信噪比隨時間的變化情況。

信噪比與信號強度息息相關，是反映GNSS載波信號質量的重要指標之一。圖4表示TOW2站BDS 3個軌道上衛星數據信噪比隨時間的變化情況，圖5表示GPS與BDS衛星兩頻點數據的信噪比情況。可以看出，BDS系統GEO衛星由于軌道的特殊性，其數據信噪比變化較平穩，MEO衛星數據信噪比變化較大；GPS衛星在L1頻點的信噪比明顯大于L2頻點的信噪比，而BDS衛星在B2頻點上的信噪比略大于B1的信噪比，且B1、B2數據的信噪比都高于L2的信噪比。

3 鐘 跳

GNSS觀測數據除了包含周跳和粗差，還包含接收機鐘跳。理論上接收機總是將內部時鐘與GNSS時間同步，由于石英鐘的精度局限，此同步并不嚴格，為保持同步，需要周期地插入接收機的時鐘跳躍，這個跳躍則為鐘跳[4- 6]。鐘跳是干擾粗差和周跳探測的一個重要因素[7]，鐘跳與周跳十分類似，都會引起觀測數據的跳變，但兩者在原理和實質上是不同的，鐘跳是接收機鐘差的突然變化，可以引起所有衛星偽距或載波相位觀測值的同時跳變[8]。鐘跳能夠導致現有的部分周跳探測方法失效，鐘跳探測的正確與否直接關系著非差數據處理的精度和效率，因此有必要在周跳探測之前消除時鐘跳躍對觀測量的影響[9]。

不同的接收機有兩種典型的鐘跳：頻繁跳躍和毫秒跳躍[10]。頻繁跳躍是在每個歷元對接收機時鐘進行修正，改正量一般較小，一般情況下可以不考慮；毫秒跳躍是在接收機鐘差達到一定數值時才進行修正。本文主要是針對毫秒跳躍的接收機進行鐘跳探測。

本文采用雙頻相位觀測值的O- C值進行探測，通過消電離層線性組合計算相位殘差值

(5)

毫秒鐘跳產生的相位周數可表示為

(6)

如果滿足條件

(7)

圖4 TOW2站BDS各軌道衛星數據信噪比

圖5 GPS與BDS衛星兩頻點數據信噪比

選取POL2測站2015年220 d的觀測數據，以G05星與G15星為例，探測各衛星載波相位觀測值的鐘跳情況。

圖6為POL2站G05與G15星載波相位觀測值鐘跳探測結果。從圖中可以看出，G05星的載波相位觀測值在歷元105處相位殘差值res發生突變，此時發生鐘跳，鐘跳值為3 ms；G15星相位殘差值res變化較小，不存在鐘跳現象。

圖6 POL2站G05與G15星載波相位觀測值鐘跳探測結果

4 結 語

本文依據GNSS數據觀測質量指標，采用MGEX觀測站數據，詳細分析了GPS與BDS衛星數據的多路徑效應與信噪比。得出衛星在高度角較低時，多路徑效應值相對較大，當高度角升高時，多路徑效應明顯下降；BDS系統的 GEO衛星由于其軌道的特殊性，高度角變化較小，多路徑變化較為穩定；不論在B1頻點還是在B2頻點，BDS衛星多路徑效應均呈現出GEO

另外，多模 GNSS 接收機的內部石英鐘不穩定，易發生鐘跳。當鐘跳發生時，從數據預處理的角度分析，應先進行鐘跳的探測與標記，再進行周跳探測。

[1] 葛燕飛，付亞梁，楊銀甲. TEQC軟件在GPS數據預處理與質量分析中的應用[J]. 黑龍江科技信息，2010，12(1)：8- 8.

[2] UNAVCO. TEQC the Toolkit for GPS/GLONASS/Galileo/SBAS/BeiDou/QZSS Data [EB/OL]. [2013- 03- 15]. http:∥facility.unavco.org/software/teqc/teqc.html.

[3] 譚羽安，袁本銀，鮑志雄. GPS/BD/GLONASS多星座質量檢核研究與實現[C]∥第四屆中國衛星導航學術年會論文集. 武漢：中國衛星導航學術年會，2013.

[4] 楊劍，王澤民，王貴文. GPS接收機鐘跳的研究[J]. 大地測量與地球動力學，2007，27(3)：123- 127.

[5] 張成軍，賈學東. 接收機鐘跳對GPS定位的影響及探測方法[J]. 測繪通報，2009(12)：7- 10.

[6] GUO Fei，ZHANG Xiaohong. Realtime Clock Jump Detection and Repair Based on GNSS Observations[C]∥CSNC. Guangzhou:[s.n.],2012.

[7] 吳丹. GNSS觀測數據預處理及質量評估[D]. 西安：長安大學，2015.

[8] 黃丁發，熊永良，袁林果. 全球定位系統(GPS)：理論與實踐[M]. 成都：西南交通大學出版社，2006.

[9] 張勤，李家權. GPS測量原理及應用[M]. 北京：科學出版社，2012.

[10] 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: 116- 119.

[11] 崔陽，呂志平，陳正生，等. 多核環境下的GNSS網平差數據并行處理研究[J]. 測繪學報，2013，42(5)： 661- 667.

Quality Analysis of GNSS Data

LI Xiaoguang1,2,CHENG Pengfei2,CHENG Yingyan2,WAN Jun3

(1.School of Geomatics,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 2. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830,China;3. China Institute of Geo- technical Investigation and Surveying Co.Ltd., Beijing 100007,China)

The GNSS carrier phase observation value is affected by noise and the receiver clock jump, the cycle slip test sequence changes over time.To construct robust and sensitive test of cycle slip, satellite data of different system quality need to be analyzed, and the multi- path effect and signal- to- noise ratio are important indexes of the quality about observation data. This paper focuses on the analysis of the multipath effect and the signal- to- noise ratio of GPS and BDS satellites data; and proposed a method of receiver clock jump detection, which uses the O- C about dual frequency phase observation value and performs clock jump detection by using the ionosphere free linear combination .

GNSS;multi- path;signal- noiseratio;clock jump;MGEX

2016- 06- 21

國家重點研發計劃(2016YFB0501405); 國家自然科學基金(41374014); 國家公益性行業專項；測繪地理信息公益性行業科研專項經費項目(201512011)

李曉光(1991—), 男，碩士生,主要從事BDS數據處理方面的研究。E- mail: 492647885@qq.com

李曉光，程鵬飛，成英燕,等.GNSS數據質量分析[J].測繪通報，2017(3)：1- 4.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0071.

P228.4

A

0494- 0911(2017)03- 0001- 04