星載GPS/BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估與分析

吳瓊寶，趙春梅

(1.煤炭工業(yè)濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院有限公司，濟(jì)南 250031；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

0 引言

隨著低軌衛(wèi)星應(yīng)用越來(lái)越廣泛，星載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)融合觀測(cè)數(shù)據(jù)確定低軌衛(wèi)星精密軌道成為衛(wèi)星定軌技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，星載全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)接收機(jī)搭載在各種低軌衛(wèi)星上并且回傳的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，性能良好，根據(jù)回傳數(shù)據(jù)定軌精度達(dá)到厘米級(jí)[1-6]。國(guó)內(nèi)部分低軌衛(wèi)星搭載了星載多模接收機(jī)，采用其回傳的觀測(cè)數(shù)據(jù)確定其精密軌道是低軌衛(wèi)星試驗(yàn)任務(wù)的重要內(nèi)容，同時(shí)星載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)觀測(cè)數(shù)據(jù)定軌對(duì)我國(guó)衛(wèi)星和航天信息安全具有重要的意義。

對(duì)星載觀測(cè)數(shù)據(jù)精密定軌，觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量是影響其定軌精度的關(guān)鍵因素之一，同時(shí)也是低軌衛(wèi)星定軌精度和可靠性的保障。它受衛(wèi)星的健康狀況、接收機(jī)及天線、測(cè)站環(huán)境等因素的影響。目前，國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的比較優(yōu)秀的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估軟件是由美國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測(cè)研究大學(xué)開(kāi)發(fā)的TEQC(translation，editing and quality checking)，其以GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估為核心，并具備數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯、偽距定位等功能[7]。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

低軌衛(wèi)星在太空中處于高速運(yùn)動(dòng)，易受復(fù)雜環(huán)境的影響；而星載GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量高低是衛(wèi)星精密定軌的關(guān)鍵，分析觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量必不可少。影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素包括電離層延遲、多路徑效應(yīng)以及接收機(jī)噪聲等。

GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核的主要指標(biāo)為多路徑效應(yīng)(MP1、MP2)、周跳比(O/slps)和觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。其中：MP1、MP2分別為L(zhǎng)1、L2頻率上的多路徑觀測(cè)誤差；觀測(cè)值總數(shù)與發(fā)生周跳的觀測(cè)值數(shù)之比稱為周跳比，它直接反映了數(shù)據(jù)周跳的情況，比值越大，表明周跳越少，反之則越多；數(shù)據(jù)的完整性反映了星載設(shè)備的性能和數(shù)據(jù)量的大小，直接影響低軌衛(wèi)星定軌精度。此外還包括電離層影響誤差、電離層延遲變化率、衛(wèi)星的可見(jiàn)性、信噪比(single-noise ratio，SNR或S/R)和其他相關(guān)參數(shù)。

1.1 衛(wèi)星可見(jiàn)性

星載觀測(cè)數(shù)據(jù)中每個(gè)歷元的觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)可以直觀地反映低軌衛(wèi)星接收機(jī)的跟蹤情況。可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)越多，可減小幾何精度衰減因子、采用其定軌的精度越高。對(duì)于BDS，衛(wèi)星的可見(jiàn)性分析較為重要。目前在軌可用于導(dǎo)航的BDS衛(wèi)星數(shù)為15顆，其中5顆為高軌衛(wèi)星，星歷精度較低；而低軌衛(wèi)星上搭載的BDS接收機(jī)性能不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收異常，對(duì)衛(wèi)星定軌精度影響較大。

1.2 多路徑誤差

多路徑誤差作為影響星載數(shù)據(jù)質(zhì)量與低軌衛(wèi)星定軌精度的重要因素之一，其估計(jì)值能夠直觀地反映觀測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)良。L1和L2(BDS接收機(jī)為B1和B2)頻率上的多路徑誤差可通過(guò)偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值的線性組合來(lái)估計(jì)[8]，即

(1)

1.3 數(shù)據(jù)有效率與利用率

數(shù)據(jù)有效率為刪除觀測(cè)值數(shù)與所有觀測(cè)量類型數(shù)據(jù)量之比，在TEQC軟件中的表示為deleted observations/complete observations。

數(shù)據(jù)利用率為完整觀測(cè)值的歷元數(shù)與預(yù)期歷元數(shù)之比，完整觀測(cè)值為歷元的觀測(cè)值同時(shí)具有碼觀測(cè)量C1或P1、C2或P2，以及相位觀測(cè)量L1和L2等4種類型的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)有效率和利用率作為星載觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)值，反映了接收機(jī)采集數(shù)據(jù)的性能與穩(wěn)定性。對(duì)于星載BDS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的利用率較為重要，利用率低說(shuō)明數(shù)據(jù)質(zhì)量差，對(duì)定軌結(jié)果影響較大。

1.4 電離層延遲變化率

星載雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)的電離層延遲為

和方差(SSE)為3.838，確定系數(shù)(R-square)為0.962 1，調(diào)整后確定系數(shù)(Adjusted R-square)為0.957 4，均方根(RMSE)為0.399 9。

(2)

式中：L1和L2分別為f1和f2頻率上的載波觀測(cè)量，單位為m；n1和n2為整周模糊度；m1和m2分別為f1和f2頻率上的多路徑效應(yīng)；λ1和λ2分別為f1和f2頻率對(duì)應(yīng)的載波波長(zhǎng)。

TEQC軟件檢核觀測(cè)數(shù)據(jù)模塊中計(jì)算電離層延遲變化率為

(3)

式中：j為歷元編號(hào)；tj為歷元j的時(shí)刻，如果iod變化率大于400 cm/min，則認(rèn)為存在周跳。

1.5 周跳比

周跳比為實(shí)際觀測(cè)的歷元數(shù)與周跳數(shù)的比值，用以說(shuō)明觀測(cè)數(shù)據(jù)的周跳情況。周跳探測(cè)采用Melbourne-Wǜbbena(MW)無(wú)電離層組合與電離層殘差法。地面靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)的周跳比通常會(huì)大于200，星載接收機(jī)處于高動(dòng)態(tài)環(huán)境中，由于低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度快、相鄰歷元間電離層延遲變化較大、接收機(jī)空間環(huán)境差、多路徑效應(yīng)影響等原因，會(huì)造成星載觀測(cè)數(shù)據(jù)的不連續(xù)性或衛(wèi)星信號(hào)的失鎖，從而導(dǎo)致星載數(shù)據(jù)會(huì)較之地面觀測(cè)數(shù)據(jù)存在更多的周跳。周跳比越大、周跳個(gè)數(shù)越少，低軌衛(wèi)星定軌精度越高。

1.6 信噪比

數(shù)據(jù)的信噪比SNR是指接收的載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，單位為dBHz。信噪比能夠反映接收信號(hào)的質(zhì)量，地面接收機(jī)的數(shù)值一般在45 dBHz左右，其值越高，相應(yīng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量越好[9-10]。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文選取FY3C衛(wèi)星2016-06-08—2016-06-17(年積日第160天至第169天)共10 d的星載GPS/BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。

2.1 衛(wèi)星可見(jiàn)性

年積日第160天的星載GPS、BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)性情況如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可知：FY3C衛(wèi)星星載接收機(jī)最多能接收到6顆BDS衛(wèi)星和12顆GPS衛(wèi)星；BDS數(shù)據(jù)存在較長(zhǎng)時(shí)間缺失的情況。表1為衛(wèi)星數(shù)與歷元的統(tǒng)計(jì)百分比。

星載BDS數(shù)據(jù)平均超過(guò)60 %的歷元可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)少于3顆，無(wú)法進(jìn)行衛(wèi)星軌道解算；星載GPS數(shù)據(jù)每個(gè)歷元觀測(cè)到的導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)基本為7～12顆，比例接近80 %，接收機(jī)的性能良好。

表1 FY3C星載數(shù)據(jù)衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)百分比統(tǒng)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)利用率與有效率

星載GPS、BDS數(shù)據(jù)的利用率和有效率情況如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可知：FY3C衛(wèi)星星載GPS數(shù)據(jù)的利用率接近100 %，數(shù)據(jù)的有效率較低，平均為74 %；星載BDS數(shù)據(jù)的利用率較低，平均為88 %，有效率較好。

2.3 多路徑誤差

星載GPS、BDS數(shù)據(jù)的多路徑誤差如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知：FY3C衛(wèi)星星載BDS數(shù)據(jù)L1頻率上的多路徑誤差較大，L2頻率上的多路徑誤差低于GPS數(shù)據(jù)。

2.4 信噪比

星載GPS、BDS數(shù)據(jù)的信噪比情況如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可知：FY3C衛(wèi)星星載BDS數(shù)據(jù)L1頻率上的噪聲略低于GPS數(shù)據(jù)；L2上的噪聲略高于GPS數(shù)據(jù)；信噪比均在正常范圍內(nèi)。

2.5 周跳比

星載GPS、BDS數(shù)據(jù)的觀測(cè)值與周跳比的情況如圖9、圖10所示。

由圖9和圖10可知，F(xiàn)Y3C衛(wèi)星星載BDS數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)的周跳比在相同數(shù)值水平。

2.6 評(píng)估指標(biāo)平均值統(tǒng)計(jì)

表2總結(jié)了FY3C衛(wèi)星星載GPS/BDS數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估結(jié)果。

表2 FY3C衛(wèi)星星載GPS/BDS數(shù)據(jù)評(píng)估指標(biāo)平均值統(tǒng)計(jì)

由表2可知：星載BDS數(shù)據(jù)的利用率低于星載GPS數(shù)據(jù)，有效率高于GPS數(shù)據(jù)，原因是觀測(cè)數(shù)據(jù)量的差異；星載BDS數(shù)據(jù)在L1頻率上的多路徑誤差大于星載GPS數(shù)據(jù)，其他評(píng)估指標(biāo)正常。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了星載GPS/BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估指標(biāo)及其目的。通過(guò)對(duì)FY3C衛(wèi)星回傳的實(shí)例數(shù)據(jù)評(píng)估了星載GPS/BDS數(shù)據(jù)的質(zhì)量特征。星載BDS數(shù)據(jù)的利用率低于GPS數(shù)據(jù)，說(shuō)明接收機(jī)數(shù)據(jù)丟失較多；而有效率高于GPS數(shù)據(jù)，原因是觀測(cè)數(shù)據(jù)量的差異：當(dāng)二者同時(shí)達(dá)到一定水平則可說(shuō)明接收機(jī)的性能較好。在多路徑誤差方面，星載BDS數(shù)據(jù)的多路徑誤差數(shù)值與GPS數(shù)據(jù)接近。通過(guò)信噪比、周跳比與電離層變化率數(shù)值的比較，結(jié)果說(shuō)明星載BDS的數(shù)據(jù)質(zhì)量接近GPS數(shù)據(jù)。

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