超高層復雜環境下BDS/GPS數據質量評估

晏 南

(山西省地質測繪院，山西 運城 044000)

0 引 言

北斗衛星導航系統作為我國重要的基礎設施，2012年建設完成的北斗二號已經在我國各個領域發揮著重要作用，并且表現出北斗獨特的優勢[1-2]。根據我國基本國情，北斗系統建設分三步走戰略，第一步于2000年建設完成北斗一號即雙星定位系統，向我國提供導航與定位服務，第二步于2012年建設完成北斗二號即區域定位系統，向亞太地區提供導航與定位服務，第三步于2020年完成北斗三號建設即全球定位系統，向全球提供導航與定位服務，目前已經建設完成的北斗二號被廣泛應用于建筑物的變形監測中[3-5]。在對北斗監測數據處理之前，需要對北斗數據質量進行分析，因為北斗定位的可靠性與可行性很大程度上取決于北斗的數據質量，同時由于北斗與GPS相比具有混合星座、工作衛星播發三頻信號以及播發短報文的特點，北斗數據質量將與GPS呈現出差異性[6-7]。目前國內部分專家學者針對北斗數據質量進行了分析，陳明等[8]基于國家基準站分析了北斗數據質量，發現北斗的多路徑效應大于GPS的，信噪比整體狀況相比GPS較差；劉青鋒等[9]分析了北斗二代雙頻數據，發現北斗衛星多路徑逐漸增大，表現出B1大于B2，而在信噪比方面，則表現出B2大于B1；左宗等[10]分析了極地環境下的北斗數據質量，發現極地地區的北斗數據質量受高度角影響較大，多路徑效應明顯，信噪比低于低緯度地區，且受電離層影響大；吳春節等[11]對比分析了BDS/GPS數據質量，發現北斗的B1頻率的多路徑大于B2頻率，且MEO大于IGSO大于GEO，北斗的信噪比與GPS的信噪比與多路徑呈負相關。

針對北斗數據質量，本文基于超高層變形監測實測數據，從衛星可見數、PDOP值、信噪比以及多路徑幾個方面對比分析了BDS/GPS數據質量。

1 數據質量評估指標

北斗數據質量的好壞很大程度上會影響北斗的定位精度，因此在進行北斗數據處理之前對北斗數據質量進行分析是必不可少的。常規的北斗數據質量評估指標有衛星可見數、DOP值、數據完整率、信噪比、多路徑等。本文選取其中的衛星可見數、PDOP值、信噪比以及多路徑4個指標對BDS/GPS數據質量進行分析。

1.1 衛星可見數與PDOP值

衛星可見數是指觀測時段內接收機天線可以接收到多少顆衛星發射的信號，所接收到的衛星數越多，定位精度越高。PDOP值是指位置精度衰減因子，是表示衛星空間位置分布狀況的指標，衛星空間幾何分布越好，PDOP值越小，定位精度越高。

1.2 信噪比

信噪比是載波信號強度與觀測噪聲的比值，是反映載波觀測信號強度的指標，也是評估數據質量的重要指標之一。信噪比主要受到天線增益參數、接收機中相關器的狀態等影響，它可以直接從觀測值文件中獲取。

1.3 多路徑

多路徑效應是指接收機天線在接收到衛星直接發射信號的同時還會接收到經過傳播路徑上地物反射的信號，多種信號疊加而產生的延遲。特別是在進行建筑物變形監測時，監測點通常布設位置周圍地物較多，更容易受到多路徑效應的影響，嚴重影響了測量的精度。本文采用無幾何無電離層方法計算多路徑，公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，MP表示多路徑；P偽距觀測值；L表示載波觀測值；m表示載波多路徑效應；n表示整周模糊度；λ表示波長；f表示頻率；序號表示頻率號。

2 數據質量評估

本文采用的數據為超高層變形監測實測數據，接收機采用華測1758類型接收機，可以接收到北斗雙頻信號，采樣率設置為1 s，為了減小多路徑效應的影響，高度角設置為15°?？紤]到數據質量是定位的先決條件，對超高層環境下的BDS/GPS數據質量進行評估。限于篇幅原因，選取不同的類型的衛星進行數據質量分析，北斗GEO衛星選取C01，IGSO衛星選取C08，MEO衛星選取C14，GPS選取G06。

2.1 衛星可見數與PDOP值

如圖1所示，在進行超高層變形監測時，BDS與GPS衛星可見數基本一致，只是在整個監測過程中，BDS衛星可見數比較穩定，GPS衛星可見數變化較大。如圖2所示，在超高層環境下，BDS的PDOP值要大于GPS，證明監測過程中BDS的衛星空間分布狀況相比GPS要差。

圖1 衛星可見數

圖2 PDOP值

2.2 信噪比

如圖3-圖5和表1所示，GEO衛星屬于靜止軌道衛星，因此其高度角和信噪比變化很小，MEO和IGSO衛星的B1頻率和B2頻率的信噪比基本一致，二者B1頻率的信噪比比GPS衛星L1頻率的信噪比大1 dB-Hz左右，B2頻率的信噪比比L2頻率的信噪比大3 dB-Hz左右，證明BDS整體的信號強度要大于GPS的信號強度。

圖3 BDS衛星B1頻率信噪比

圖4 BDS衛星B2頻率信噪比

圖5 GPS衛星G06信噪比

表1 平均信噪比統計/dB-Hz

2.3 多路徑

如圖6-圖8所示，GEO由于是靜止軌道衛星，因此多路徑隨高度角的變化較小，且相比于其他衛星多路徑效應較小。其他衛星的多路徑隨著高度角的增大而減小，在高度角30°之前，BDS衛星B1和B2頻率、GPS衛星L1和L2頻率的多路徑效應達到了2 m，之后逐漸減小，穩定在1 m左右，同時發現在BDS衛星的B1和B2頻率中存在系統偏差，尤其是在MEO衛星中這種偏差最為明顯，但是在GPS衛星的L1和L2兩個頻率中沒有觀測到這種偏差，這對偽距定位有著重要意義。

圖6 BDS衛星B1頻率多路徑

圖7 BDS衛星B2頻率多路徑

圖8 GPS衛星G06多路徑

3 結 語

本文基于超高層變形監測實測數據對比分析了BDS/GPS數據質量，發現在超高層環境下：

(1)BDS衛星可見數與GPS基本一致，BDS相比于GPS衛星可見數較穩定，但是BDS的PDOP值大于GPS的PDOP值，表明當前情況下BDS衛星空間分布狀況相比GPS較差。

(2)BDS衛星信噪比的整體情況要優于GPS，尤其是B2頻率表現得最為明顯，證明超高層環境下BDS衛星信號強度優于GPS，抗噪聲干擾能力較強。

(3)在高度角30°以前，BDS與GPS衛星的多路徑效應較大，在2 m左右，之后逐漸減小，穩定在1 m左右，同時發現BDS衛星中存在系統偏差，但是GPS衛星中不存在這類系統偏差。

通過對超高層環境下的BDS/GPS數據質量進行評估，通過分析BDS與GPS的各項數據質量指標，為超高層變形監測的方案設計以及數據處理方案設計提供一個可靠的數據支撐。