北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

肖秋龍，成芳，沈朋禮，肖廈

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

肖秋龍1,2,3，成芳1,2，沈朋禮1,2,3，肖廈1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

基于G-Nut/Anubis軟件對(duì)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)全國(guó)113個(gè)基準(zhǔn)站連續(xù)3個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)從多路徑效應(yīng)與周跳等方面進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)91.1%國(guó)內(nèi)框架網(wǎng)基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足建站要求。同時(shí)，對(duì)同源基準(zhǔn)站的GPS和BDS多路徑誤差進(jìn)行了對(duì)比分析，得到同一地點(diǎn)BDS多路徑誤差小于GPS，且BDS的B2頻點(diǎn)多路徑誤差最小，GPS的L2頻點(diǎn)多路徑誤差最大的結(jié)論。

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)質(zhì)量；統(tǒng)計(jì)分析；BDS/GPS

0 引言

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)作為國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航高精度服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重要組成部分，是高效實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和位置服務(wù)的重要項(xiàng)目。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、共建共享”的原則，構(gòu)建全國(guó)一張網(wǎng)，已完成全國(guó)150個(gè)框架網(wǎng)基準(zhǔn)站的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)部門(mén)間、地區(qū)間和用戶間資源統(tǒng)籌、數(shù)據(jù)共享。作為北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)廣域服務(wù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)框架網(wǎng)基準(zhǔn)站的正常穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)充分發(fā)揮自身作用和提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)具有重要意義。

GNSS連續(xù)參考站在進(jìn)行選址、設(shè)計(jì)、建造以及布放等工作時(shí)，要確保區(qū)域連續(xù)參考系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)GNSS接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析[1-4]。李軍等基于TEQC軟件對(duì)52個(gè)GPS臺(tái)站4 a觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量分析[1, 5-6]。楊海彥等對(duì)IGS MGEX跟蹤網(wǎng)47個(gè)多系統(tǒng)跟蹤站2.4 a觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多路徑效應(yīng)與觀測(cè)噪聲評(píng)估，得出的多系統(tǒng)多路徑效應(yīng)與觀測(cè)噪聲之間的關(guān)系對(duì)多模多頻信號(hào)的選取和隨機(jī)模型的確定具有一定的參考意義[7]。針對(duì)上述研究成果使用觀測(cè)站少，區(qū)域較小，且為了了解基準(zhǔn)站附近觀測(cè)環(huán)境是否對(duì)觀測(cè)結(jié)果存在干擾，是否存在造成多路徑效應(yīng)的反射物等基準(zhǔn)站環(huán)境因素對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成的影響，本文對(duì)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)113個(gè)框架網(wǎng)基準(zhǔn)站連續(xù)3個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量檢核與分析，給出了這些基準(zhǔn)站的檢核結(jié)果報(bào)告，并對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的基準(zhǔn)站進(jìn)行BDS和GPS單系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位（precise point positioning，PPP）數(shù)據(jù)解算以及BDS+GPS雙系統(tǒng)PPP解算，比較BDS和GPS單系統(tǒng)的定位解算結(jié)果，分析數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)解算結(jié)果的影響[8-14]。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析評(píng)估理論

碼偽距觀測(cè)值與載波相位觀測(cè)值是GNSS測(cè)量的兩個(gè)基本觀測(cè)量。在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中，GNSS衛(wèi)星觀測(cè)信號(hào)從衛(wèi)星天線傳播到接收機(jī)天線會(huì)受到衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對(duì)流層延遲、接收機(jī)鐘差等誤差影響。碼偽距與載波相位觀測(cè)方程可分別表示為[15]：

1.1 多路徑效應(yīng)

GNSS實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中，除了直接接收到衛(wèi)星信號(hào)外，還接收到經(jīng)周?chē)瓷湮锓瓷涞男盘?hào)，兩種信號(hào)產(chǎn)生干涉使真值發(fā)生偏離的現(xiàn)象稱(chēng)之為多路徑效應(yīng)[15]。載波相位多路徑效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碼偽距多路徑效應(yīng)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中一般不予考慮載波相位多路徑效應(yīng)帶來(lái)的影響。將式（1）的1頻點(diǎn)與式（2）的1頻點(diǎn)結(jié)果作差可得[5-6, 16-20]

將式（2）的1頻點(diǎn)與2頻點(diǎn)結(jié)果作差可得

將式（4）代入式（3），化簡(jiǎn)可得

同理可求2頻點(diǎn)和3頻點(diǎn)的結(jié)果如下：

式（6）和（7）中：

本文采用的滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度為30個(gè)歷元，且在計(jì)算第3頻點(diǎn)時(shí)采用另一計(jì)算公式[17]：

1.2 載波相位周跳探測(cè)

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核結(jié)果與分析

表1 GPS的SR、三頻多路徑誤差的RMS值（2017-10/2017-12）

表2 BDS的SR、三頻多路徑誤差的RMS值（2017-10/2017-12）

圖1 CHHC站CSR、三頻多路徑誤差的RMS時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 數(shù)據(jù)解算分析

對(duì)QXAL，QXDW和QXNC 3個(gè)基準(zhǔn)站分別進(jìn)行BDS單系統(tǒng)和GPS單系統(tǒng)靜態(tài)PPP解算，結(jié)果如圖2所示。其中，和構(gòu)成以測(cè)量點(diǎn)為原點(diǎn)的站心坐標(biāo)，表示東方向，表示北方向，表示天頂方向。

圖2 QXAL，QXDW和QXNC站BDS PPP與GPS PPP解算E，N和U方向誤差

從圖2可以看出：QXAL和QXDW基準(zhǔn)站GPS PPP解算結(jié)果與BDS PPP解算結(jié)果差異不大，，方向誤差為厘米級(jí)，方向誤差僅10月1號(hào)BDS PPP解為分米級(jí)。但QXNC基準(zhǔn)站解算結(jié)果明顯偏大，，方向差值為分米級(jí)，方向差值為米級(jí)，最大高達(dá)1.3 m。

然后，對(duì)QXAL，QXDW和QXNC 3個(gè)站進(jìn)行了GPS+BDS雙系統(tǒng)靜態(tài)PPP解算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 QXAL，QXDW和QXNC站GPS+BDS（雙系統(tǒng)）E，N和U方向誤差

從圖3可以看出，QXNC站坐標(biāo)偏差大于其他兩個(gè)基準(zhǔn)站坐標(biāo)偏差。根據(jù)分析可知：

② 由表1和表2數(shù)據(jù)可知：QXNC基準(zhǔn)站的多路徑誤差大，QXAL和QXDW兩個(gè)基準(zhǔn)站多路徑誤差較小。由此說(shuō)明多路徑誤差是導(dǎo)致QXNC基準(zhǔn)站解算坐標(biāo)偏差遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)基準(zhǔn)站的主要原因。因此，在定位解算時(shí)，需對(duì)多路徑誤差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除或者降權(quán)處理，降低對(duì)定位精度的影響。

下面我們以QXAL基準(zhǔn)站為例來(lái)具體分析，圖4為QXAL基準(zhǔn)站分別利用GPS和BDS進(jìn)行單系統(tǒng)定位解算的坐標(biāo)偏差，圖5為分別利用GPS和BDS進(jìn)行單系統(tǒng)定位解算坐標(biāo)偏差的RMS統(tǒng)計(jì)圖。從圖4可看出：與GPS單系統(tǒng)解算結(jié)果相比，BDS單系統(tǒng)解算結(jié)果在，和方向坐標(biāo)偏差普遍比GPS大，因此，在進(jìn)行單系統(tǒng)定位解算時(shí)應(yīng)考慮星座因素對(duì)定位解算影響，在進(jìn)行融合定位解算時(shí)可提高GPS衛(wèi)星權(quán)重。圖5可看出GPS定位解算結(jié)果的RMS相比BDS定位解算結(jié)果的RMS來(lái)說(shuō)變化平緩，也說(shuō)明了在進(jìn)行單系統(tǒng)定位解算時(shí)對(duì)GPS定位解算的性能優(yōu)于BDS。

圖4 QXAL站GPS和BDS單系統(tǒng)定位解算E，N和U方向誤差

圖5 QXAL站GPS和BDS單系統(tǒng)E，N和U方向的RMS統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)113個(gè)基準(zhǔn)站連續(xù)3個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)：

① 在同一地點(diǎn)相同環(huán)境下，GPS L2頻點(diǎn)多路徑誤差最大，BDS B2頻點(diǎn)多路徑誤差最小，因此在進(jìn)行GPS定位解算過(guò)程中應(yīng)考慮到L2頻點(diǎn)多路徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差影響，在進(jìn)行BDS雙頻定位解算可優(yōu)先選擇B2頻點(diǎn)數(shù)據(jù)；

② 在同一地點(diǎn)相同環(huán)境下，BDS多路徑誤差小于GPS多路徑誤差；

③ 在本文分析的113個(gè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)基準(zhǔn)站中，91.1%基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建站要求；

④ 在單系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位過(guò)程中，GPS定位性能優(yōu)于BDS，在后續(xù)進(jìn)行基準(zhǔn)站坐標(biāo)精密單點(diǎn)定位解算時(shí)，GPS衛(wèi)星應(yīng)該占有更大權(quán)重；

⑤ 在多路徑誤差較大的情況下，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以提高定位解算精度。

致謝：感謝北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)管理委員會(huì)提供的數(shù)據(jù)。

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Observational data quality analysis of BeiDou Ground-based Augmentation System

XIAO Qiu-long1,2,3, CHENG Fang1,2, SHEN Peng-li1,2,3, XIAO Xia1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Precise Positioning and Timing Technology, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Based on G-Nut/Anubis software, the data quality analysis of multipath and cycle slip is conducted by collected datasets from the BeiDou Ground-based Augmentation System (BDGBAS), and the datasets contain three continuous months’ observation data of 113 reference stations. The statistical results of the data quality show that the observation data quality of about 91.1% stations by the BDGBAS meets the construction requirements. In addition, the multipath errors of GPS and BDS observations at the homologous observing station are compared and analyzed. The results show that the multipath error of the BDS is smaller than the GPS, and the multipath error of BDS B2 frequency is the smallest, and the multipath error of GPS L2 frequency is the largest.

BeiDou Ground-based Augmentation System; data quality; statistical analysis; BDS/GPS

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0266-08

2019-01-19；

2019-03-23

中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)基金促進(jìn)會(huì)資助項(xiàng)目（11880000CF）

肖秋龍，男，碩士，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航通信技術(shù)研究。