北京房山IGS站觀測數據質量評估

張 寧，何正斌，趙春梅，張浩越,1

（1.遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000；

2.中國測繪科學研究院 北京房山人衛激光國家野外科學觀測研究站，北京 100036）

0 引言

2020年6月23日，北斗三號全球衛星導航系統即北斗三號（BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3）最后一顆組網衛星發射成功，北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）邁出了重大的一步，美國的全球定位系統（global positioning system, GPS）早已不是唯一可供選擇的衛星導航系統。隨著全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）進一步加強與完善，GNSS的觀測數據也向著多系統、多頻點方向發展[1]，為導航定位精度以及可靠性的提升等方面提供新的支持。在對 GNSS觀測數據進行預處理時，接收機自主交換格式（receiver independent exchange format, RINEX）也正逐漸向著高版本進行過度[2-3]。由于衛星健康狀況、GNSS數據接收機所處觀測環境、及其相關硬件性能不同，對后期觀測數據的高精度處理有著非常重要的影響，因此，GNSS數據質量檢查與分析是十分重要的。

目前，GNSS數據質量檢查的軟件有很多種，包括德國聯邦測繪局（Bundesamt für Kartographie und Geod?sie,BKG）研發的布恩克（BNC, BKG Ntrip Client）軟件、美國衛星導航系統與地殼形變觀測研究大學聯合體（Non-profit University-Governed Consortium, Facilitates Geoscience Research and Education Using Geodesy, UVAVCO）開發的數據格式轉換、元數據編輯及數據質量檢查（translation,editing and quality checking, TEQC）軟件、捷克國家大地測量局研發的阿努比斯（Anubis）等[4]，并且上述數據質量檢查軟件已在文獻[5]中進行過了相關的功能對比，以及性能優劣的分析，驗證了Anubis軟件可以處理 RINEX3.02版本以上的多星多頻GNSS數據，并提供強大的可視化視圖工具。文獻[6]利用Anubis軟件處理了BDS新信號新頻點的數據。文獻[7]從信噪比、偽距多路徑、數據飽滿度、數據完整率等方面對觀測數據進行質量分析。文獻[8]利用Anubis軟件從可見衛星數、信噪比、多路徑效應等三方面對BDS-3衛星觀測數據進行質量分析，結果顯示，BDS衛星信號在抗多路徑效應能力方面明顯優于GPS。

本文利用Anubis軟件，以國際GNSS服務組織（International GNSS Service, IGS）的北京房山站為研究對象，對2020年北京房山站相同天線不同接收機的多系統GNSS觀測數據進行數據質量分析。

1 數據質量評估的指標

1.1 數據完整率

由于外界觀測環境中的復雜多變，以及GNSS數據接收機的硬件性能等相關問題的存在，導致在數據信號產生及傳輸過程中，會出現數據信號缺失、數據信號解析校驗不合格等現象，最終造成觀測數據文件信息的缺失并影響了最后的數據質量[5]。數據完整率是反映觀測數據質量的一個重要指標。數據完整率定義為，在一個時段內的實際觀測歷元數與理論觀測歷元數的比值[1]，則其計算為

式中：H為實際歷元數；E為理論歷元數；C為數據完整率。其值越小，表明數據質量越差，通常要求不得低于85%[9]。

1.2 信噪比

信噪比（signal-noise ratio,SNR）作為反映載波相位觀測質量的重要指標之一，通過載波信號強度與噪聲強度的比值來進行定義，單位為 dB·Hz，信噪比數值的大小受衛星發射設備及地面站接收機的增益、GNSS接收機設置的衛星仰角、衛星與接收機之間幾何距離的多路徑效應等多個因素影響[5]。觀測文件中，每顆衛星的每個歷元所對應的信噪比值都可以從觀測文件中直接獲取。若已知未經標準化的原始信號強度，可將其標準化，其計算公式為

式中：sn_rnx為標準化信號強度；sn_raw為原始信號強度。信噪比的值越大，表明信號越強，觀測精度越高[9]。

1.3 偽距多路徑

在信號傳播過程中，不同物體對信號有著不同的反射與折射，從而造成了接收機接收到了來自多個路徑的信號，由這多個路徑的信號傳播所產生的干涉時延效應就稱為多路徑效應。在觀測數據質量分析的過程中，多路徑效應通常被認為是偽距觀測值多路徑的影響。Anubis數據質量檢核軟件中，具有進行偽距多路徑解算的通用公式，它利用偽距和載波相位觀測值的線性組合，對所有GNSS的雙觀測值進行多路徑估計[10-16]，即

其中

式中：MP （multipath）為偽距多路徑效應；P為雙頻偽距觀測值；L為雙頻載波相位觀測值；f為頻率；下標中k、i和j為頻率索引，MP值越小，表示多路徑效應越弱。

1.4 周跳比

周跳（cycle clips）是由于GNSS載波相位測量中，因衛星信號失鎖而導致的整周計數的跳變或中斷。同時，周跳能夠很好的反映出載波相位觀測數據質量的好壞。通常利用載波觀測值和偽距進行無幾何（geometry-free,LG）組合、墨爾本-維貝納（Melbourne-Wübbena,MW）組合以探測周跳，將不同歷元間的差分結果與閾值進行對比，超出閾值的則被認定為周跳。本文中應用周跳比（cycle slip ratio,CSR）來表示觀測值的周跳狀況，其值越高，說明觀測數據中發生周跳次數越多，數據質量越差。周跳比的計算[9]為

式中：O為觀測值數；Slps為周跳數。根據IGS觀測站數據質量分析顯示，超過 2/3測站的CSR平均值小于10，本次北京房山IGS測站的質量分析以此指標作為判斷指標。

2 數據質量評估結果分析

本文以北京房山IGS站同一天線不同接收機接收的 145天內的觀測數據為研究對象，從數據完整率、信噪比、偽距多路徑、周跳比等多個方面進行觀測數據的質量評估。

2.1 數據完整率分析

由于篇幅有限，本文對北京房山 IGS站同一天線不同接收機觀測（BJFS和BJF9）數據的數據完整率結果進行按月統計，統計結果見表1。由表1可知，在5個月內有不少于3個月的數據完整率達100%，且每個月每個系統的數據完整率均值在99%以上，因此可以證明，這3個衛星導航系統的數據完整率都很高。其中BDS和GPS的數據完整率在每個月的數值上相等，而在BJF9接收機接收的一月份觀測數據中，GLONASS的數據完整率相比其他兩個系統低了0.5%。同時從表1中可以看出，BJFS在二月份的數據完整率最差，為99.92%，BJF9在一月份的結果最差，但最差結果也超過了99.9%，由此可見，北京房山測站的數據完整率較好。

2.2 信噪比分析

本文以 2020年北京房山站同一天線不同接收機的觀測數據為實驗數據，對其各系統的各個頻點信號的信噪比數值進行如下分析：圖1為BJFS接收機145天內觀測數據的各頻點SNR均值，圖2表示BJF9接收機145天內觀測數據的各頻點SNR均值，其中橫坐標為各系統的各個頻點信號，縱坐

圖1 BJFS接收機數據的各頻點信噪比均值

圖2 BJF9接收機數據的各頻點信噪比均值

標為信噪比的數值大小，單位為dB·Hz。從圖1及圖2可以看出，GPS_S2W頻點信號的 SNR值是最小的，其均值小于35 dB·Hz，但其它GPS頻點信號的信噪比數值均大于 40 dB·Hz。其中GPS_S2W頻點信號SNR值偏小，是由于GPS_S2W本身的載波信號強度較弱，因此在相同噪聲的情況下，GPS_S2W的SNR值較其他頻點的SNR值要小。而BDS和GLONASS下的各頻點信號則不存在這個問題，且其信號頻點的信噪比較為一致，無明顯波動，且數值較高、信號強度較強。

2.3 多路徑分析

利用 Anubis軟件處理 145天內 BJFS接收機接收的觀測數據，得到多路徑均方根（root mean square,RMS）結果統計，如圖3所示。

圖3 BJFS接收機接收的145天內，各系統頻點的多路徑RMS值變化情況

圖3中：GPS_mp1為C1C觀測量的碼多路徑效應，GPS_mp2為C2W和C2X量的平均碼多路徑效應；GLONASS_mp1為C1C和C1P的平均碼多路徑效應，GLONASS_mp2為C2C和C2P的平均碼多路徑效應；BDS_mp2為C2I觀測量的碼多路徑效應，BDS_mp6為C6I觀測量的碼多路徑效應，BDS_mp7為C7I觀測量的碼多路徑效應。

BDS多路徑RMS值最小，其值為15～30 cm，其中 BDS_mp6的多路徑 RMS數值小于 20 cm；GPS的多路徑RMS值次之，其數值為25～35 cm；GLONASS的多路徑RMS值最大，GLONASS_mp1與GLONASS_mp2均超過了35 cm，GLONASS_mp1甚至在145天內均超過40 cm。

圖4為BJF9接收機接收的觀測數據，在145天內的各系統各頻點的多路徑效應的RMS值的變化情況。

圖4 BJF9接收機接收的145天內，各系統頻點的多路徑RMS值變化情況

圖4中：GPS_mp1為C1C觀測量的碼多路徑效應；GPS_mp2為C2W和C2X量的平均碼多路徑效應；GLONASS_mp1為C1C和C1P的平均碼多路徑效應；GLONASS_mp2為C2C和C2P的平均碼多路徑效應；BDS_mp2為 C2I觀測量的碼多路徑效應；BDS_mp7為C7I觀測量的碼多路徑效應。

由圖4可知，BDS的偽距多路徑效RMS值最小，其值為 15～30 cm，BDS_mp7的多路徑 RMS值最小，其145天內的平均值為16.4 cm。GPS的多路徑RMS數值結果次之，其數值為20～35 cm。GLONASS的多路徑RMS值最大，GLONASS_mp1在 145天內的多路徑 RMS最小值為 36.9 cm，GLONASS_mp2在145天內的多路徑RMS最大值為35.9cm，再次證明了GLONASS_mp1的多路徑RMS數值最大。

2.4 周跳分析

圖5為BJFS接收機觀測數據在145天內的周跳比變化情況，從圖5中可以看出，BJFS接收機觀測數據在145天內，除了其中3天的周跳比CSR大于 10外，其余的周跳比 CSR值均小于 10，且分布在 4～10之內，145天觀測數據的周跳比方差為1.45，平均值為7.97。

圖5 BJFS接收機觀測數據在145天內的周跳比變化情況

圖6表示了BJF9接收機觀測數據在145天內的周跳比變化情況。從圖6可以看出，除了其中兩天的周跳比 CSR值大于 5，其他 143天的周跳比 CSR值均小于 5，且其 145天內的周跳比的方差為0.35，平均值為4.11，由此可得，BJF9觀測數據的周跳比離散程度要比BJFS觀測數據的周跳比離散程度小，所以周跳比的結果數值更穩定。雖然本實驗采用同一天線同一型號的接收機進行數據的接收，但是接收機的版本號不同，BJF9接收機的版本號比BJFS的版本號要高，相關固件設備也有了相應升級，因此BJF9接收機的衛星跟蹤能力和抗干擾能力更強一些，發生衛星信號失鎖的情況也就更少一些，因此發生周跳的情況也要更少。所以導致了BJF9接收機觀測數據的周跳比要優于BJFS接收機觀測數據的周跳比。

圖6 BJF9接收機觀測數據在145天內的周跳比變化情況

2.5 其他方面關于數據質量的分析

2.5.1 可見衛星數

從可見衛星數的方面，以北京房山 IGS測站同一天線不同接收機的觀測數據進行分析說明，圖7表示BJF9接收機的觀測數據中，不同衛星導航系統的可見衛星數變化情況。

圖7 BJF9接收機觀測數據在145天內的可見衛星數變化情況

從圖7中可以清楚的看出，GPS的可見衛星數最多，為 31顆左右；BDS的可見衛星數次之，為27顆左右；GLONASS的可見衛星數最少，在23顆衛星左右。

圖8表示了BJFS接收機觀測數據在145天內的不同衛星導航系統可見衛星數的變化情況。由圖8可知，GPS的可見衛星數最多，為31顆左右；BDS的可見衛星數次之，為27顆左右，GLONASS的可見衛星數最少，為23顆衛星左右。

圖8 BJFS在145天內可見衛星數的變化情況

2.5.2 數據連續性

數據連續性采用對所有年積日的觀測結果取均值的方法進行統計與分析，觀測數據中斷造成了數據不連續。影響數據中斷數的因素包括因缺失歷元而造成的歷元中斷數、因未能連續跟蹤衛星而造成的衛星中斷數、因接收機未能連續捕獲信號或發生遮擋等原因而造成的信號中斷數和周跳數[16]。

圖9及圖10為兩臺接收機觀測數據中斷情況統計圖。

圖9 BJFS接收機觀測數據的中斷數統計

圖10 BJF9接收機觀測數據的中斷數統計

從圖9和圖10 中可以看出，GPS的總中斷數是最少的，其中主要是信號中斷數。并且在各個系統中，歷元中斷數幾乎可以忽略不記，可見因缺失歷元而發生中斷的可能非常小。通過圖9和圖10的對比可以發現，雖然BDS的總中斷數最高，但是由于BJF9 接收機的版本要高于BJFS接收機的版本，因此衛星的跟蹤能力變強，抗中斷能力有所增強，所以造成了BJF9 較 BJFS的 BDS總中斷數有了明顯減少的情況，使得BJFS 接收機觀測數據中BDS的總中斷數從3 172 減少至BJF9中的1 296，減少了近2.5倍。

2.5.3 可視化

為了更好地反映各系統觀測數據的質量情況，選取一天對 BJFS接收機和 BJF9接收機的GPS/GLONASS/BDS三個系統的衛星運行軌跡圖做進一步的可視化分析。圖11顯示了BJFS接收機接收的衛星的天空運行軌跡，圖12顯示了BJF9接收機接收的衛星的天空運行軌跡，橫坐標代表方位角，縱坐標代表高度角。從圖11、圖12可以看出，GPS的衛星天空軌跡最密集，星座可用衛星數最多，且星座結構較好。GLONASS的軌跡最少，隨著我國BDS-3的全球組網，星座會更加完善。

圖12 BJF9接收機接收衛星的軌跡

3 結束語

本文以北京房山 IGS測站為研究對象，利用Anubis軟件對2020年中145天內，同一天線不同接收機（BJFS和BJF9）的多系統GNSS觀測數據進行質量分析，得出以下結論：

1）從數據完整率的角度看，北京房山IGS站的多系統觀測數據的數據完整率較高，其數據完整率達99%以上，其中BDS和GPS的數據完整率比GLONASS的數據完整率高。

2）除了 GPS_S2W信號之外，GNSS的其它信號的信噪比值均大于 40 dB·Hz，說明信號強度較強。

3）在處理多路徑效應的問題上，BDS的多路徑RMS值要比其他兩個系統小，其值為15～30 cm；GPS其次，多路徑RMS值為20～35 cm；GLONASS的多路徑RMS值最大，但145天內的多路徑RMS值也均在50 cm之內。

4）實驗時間段內的周跳比CSR值，只有3天的數值超過了 10，其余CSR值均在 10以內，并且由于硬件設備升級的原因，BJF9比 BJFS的觀測數據的周跳比要小很多。北京房山 IGS站的多系統觀測數據滿足周跳比檢核的要求。

5）從可見衛星數量及天空圖中可以看出，在北京房山 IGS站上，GPS的可見衛星數量依舊是最多的，且衛星天空軌跡最密集。

6）就北京房山IGS站145天內的觀測數據而言，GPS的總中斷數最少，所以數據連續性是最好的。其次是GLONASS。BDS的總中斷數最多，隨著BDS衛星的不斷發射成功、接收機設備的升級，中斷數正在不斷減少，將來會擁有更好的數據連續性。