亞太地區GNSS多系統三頻數據質量評估

馮文濤

(天津天成測繪服務有限公司，天津 300385)

全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)近年來得到了快速的發展，2016年開通服務的歐盟Galileo系統、2012年底開通服務的我國北斗二號(BDS-2)以及2018年初正式提供服務的日本QZSS系統，多系統同時提供服務，極大豐富了多系統組合定位的模型，以上導航系統都能播發三頻信號[1-5]。導航與定位的準確性、可靠性以及穩定性很大程度上取決于觀測數據的質量，因此在進行數據解算前進行數據質量評估是非常必要的，而常規的數據質量評估指標有數據完整率、信噪比以及多路徑[6-8]。仲臣等[9]發現BDS系統的數據質量要優于GPS系統數據質量；劉洋等[10]發現在靜態相對定位中，BDS的數據利用率、多路徑誤差優于GPS和Galileo，定位精度優于Galileo而低于GPS，在多系統組合定位中，GPS對BDS定位精度的提升明顯優于Galileo，在RTK相對定位測量中，多系統組合定位精度相較單系統定位精度有較大提升，且定位結果更加穩定；譚理慶等[11]發現BDS/Galileo組合已經具備在全球范圍內進行導航定位的能力，Galileo數據質量略優于GPS和BDS數據質量，而BDS數據質量與GPS數據質量相當；曲夢雅[12]發現Galileo系統整體的數據質量優于GPS和BDS，而BDS三頻信號中存在與高度角相關的系統偏差，在相同高度角下，GEO衛星的偽距測距精度優于IGSO優于MEO；虞順等[13]發現Galileo系統信噪比與偽距多路徑從大到小的關系分別為E5、E1、E5a、E5b和E1、E5b、E5a、E5，單差相位殘差在±4 mm內，單差偽距殘差在±0.3 m內，數據質量整體略優于GPS和BDS，其單點定位水平精度與GPS和BDS相當，而高程精度略差于GPS和BDS。

針對當前對GNSS多系統三頻數據質量對比分析的缺陷，本文基于亞太地區IGS連續跟蹤站GNSS多模多頻實測數據，從衛星可見數、DOP值、信噪比以及多路徑效應等方面對比分析了GPS系統(L1、L2、L5)、BDS-2系統(B1、B2、B3)、Galileo系統(E1、E5a、E5b)、QZSS系統(L1、L2、L5)數據質量。

1 衛星數與DOP值

衛星數是指接收機在接收數據過程能接收到多少顆衛星的數據，通常所接收到越多的衛星數據定位精度越高，反之則越低，甚至不能進行定位。DOP值是重要的定位性能評估指標，是衛星與接收機空間幾何結構的影響造成的偽距誤差與用戶位置間的比例系數，DOP值越小，定位精度越高，反之定位精度則越低。DOP值是衛星空間幾何結構的總稱，可以進一步詳細分為幾何精度衰減因子(Geometric Dilution of Precision，GDOP)、位置精度衰減因子(Position Dilution of Precision，PDOP)、水平精度衰減因子(Horzontal Dilution of Precision，HDOP)、垂直精度衰減因子(Vertical Dilution of Precision，VDOP)。首先對比分析GPS系統、BDS-2系統、Galileo系統、QZSS系統平均衛星可見數與平均DOP值，如圖1所示。

圖1 平均衛星可見數與DOP值

由圖1可知，GPS系統與BDS-2系統平均衛星可見數一致，均為11顆；Galileo系統平均衛星可見數較少，只有7顆；而QZSS系統平均衛星可見數最少，只有3顆，不滿足一般定位最少需要4顆衛星的條件。對于DOP值，可以發現，雖然BDS-2的平均衛星可見數與GPS一致且多于Galileo，但是BDS-2系統的GDOP、PDOP、HDOP與VDOP均大于GPS系統和Galileo系統對應的DOP值，Galileo系統的DOP值大于GPS系統對應的DOP值，而QZSS系統由于衛星數太少，4個DOP值為0，表明在所測站范圍，GPS系統的衛星空間幾何構型優于Galileo系統優于BDS-2系統優于QZSS系統。

2 信噪比

信噪比(Single-Noise Ratio，即SNR值)是評估數據質量的主要指標之一，是信號強度與觀測噪聲之比，反應信號強度的參數。它是整個發射和接收鏈上的信號增益和損耗的結果，它為各種信號的特征化提供了一個關鍵的品質因數，要受天線增益參數、接收機中相關器的狀態、多路徑效應的影響[14]。信噪比可以直接從原始觀測數據文件中獲取，信噪比值越大，表明觀測數據信號強度越強，受到噪聲的影響越小，數據質量則越好。鑒于此，本文對GPS系統(L1、L2、L5)、BDS-2系統(B1、B2、B3)、Galileo系統(E1、E5a、E5b)、QZSS系統(L1、L2、L5)三頻數據信噪比取平均值進行分析，如圖2所示。由于GPS系統和QZSS系統都播發L1、L2、L5頻率，為區分兩個系統，在頻率前加上系統簡稱，G表示GPS，J表示QZSS。

由圖2可知，GPS、BDS-2、Galileo三個系統L1、B1、E1三個頻率平均信噪比相當，而QZSS系統L1平均信噪比較高，比GPS、BDS-2、Galileo三個系統L1、B1、E1三個頻率平均信噪比高2 dB-Hz左右；GPS、BDS-2、Galileo、QZSS四個系統L2、B2、E5a、L2四個頻率平均信噪比從高到低分別為JL2、B2、E5a、GL2，前者平均信噪比比后者平均信噪比高約2 dB-Hz左右；GPS、BDS-2、Galileo三個系統L5、B3、E5b三個頻率平均信噪比相當，而QZSS系統L5平均信噪比較高，比GPS、BDS-2、Galileo三個系統L5、B3、E5b三個頻率平均信噪比高2 dB-Hz左右。

圖2 GPS/BDS-2/Galileo/QZSS三頻平均信噪比對比

3 多路徑

多路徑效應也是評估數據質量的一項重要指標，是指接收機接收到衛星直接發射的信號與經過傳播路徑上地物多次發射信號疊加所產生的延遲[15]。對GPS系統(L1、L2、L5)、BDS-2系統(B1、B2、B3)、Galileo系統(E1、E5a、E5b)、QZSS系統(L1、L2、L5)三頻數據多路徑進行分析，如圖3所示，由于GPS系統和QZSS系統都播發L1、L2、L5頻率，為區分兩個系統，在頻率前加上系統簡稱，G表示GPS，J表示QZSS。

圖3 GPS/BDS-2/Galileo/QZSS三頻平均多路徑對比

由圖3可知，GPS、BDS-2、Galileo三個系統L1、B1、E1三個頻率多路徑相當，在±3 m以內，而QZSS系統L1多路徑較小，在±1 m以內；GPS、BDS-2、Galileo、QZSS四個系統L2、B2、E5a、L2四個頻率多路徑相當，在± 2 m以內；GPS、BDS-2、Galileo三個系統L5、B3、E5b三個頻率多路徑相當，在±2 m以內，而QZSS系統L5多路徑較小，在±1 m以內。

根據四個系統三個頻率的多路徑，進一步計算得到對應頻率多路徑的RMS值，如圖4所示。

圖4 GPS/BDS-2/Galileo/QZSS三頻多路徑RMS值

由圖4可知，GPS系統L1頻率和Galileo系統E1頻率多路徑RMS值相當，在0.34 m左右，BDS-2系統B1頻率RMS值最高，在0.5 m左右，QZSS系統L1頻率多路徑RMS值最低，在0.23 m左右；GPS、BDS-2、Galileo、QZSS四個系統GL2、B2、E5a、JL2四個頻率多路徑RMS值相差不大，從高到低依次為B2、GL2、E5a、JL2，依次相差約0.02 m；GPS系統L5頻率和Galileo系統E5b頻率多路徑RMS值相當且最大，在0.3 m左右，QZSS系統L5頻率多路徑RMS值最低，在0.17 m左右，BDS-2系統B3頻率RMS值在0.27 m左右。

4 結 語

本文基于亞太地區IGS連續跟蹤站多模多頻實測數據，從衛星可見數、DOP值、信噪比以及多路徑等方面對比分析了GPS、BDS-2、Galileo、QZSS三頻數據質量，經研究發現：在衛星可用性方面，BDS-2與GPS衛星可見數相當，優于Galileo系統，QZSS系統則最低，而衛星空間幾何結構從優到低依次為GPS、Galileo、BDS-2、QZSS，由于QZSS系統衛星可見數較少，所以其對應的DOP值為0。在信噪比方面，QZSS系統的信噪比最大，而GPS、BDS-2和Galileo三個系統整體信噪比情況相當。在多路徑方面，GPS和Galileo多路徑效應相當，BDS-2系統多路徑效應最大，QZSS系統多路徑效應最小。