MGEX站北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和評(píng)估

符宏偉

(上海市測(cè)繪院，上海 200063)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析是進(jìn)行BDS數(shù)據(jù)處理的重要前提，數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣將嚴(yán)重影響到最終定位的精度[1]，GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析常用的軟件有TEQC、Anubis等[1-2]。國(guó)內(nèi)很多專(zhuān)家對(duì)GNSS的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比和分析，康朝虎等[3]和陳秀德等[4]介紹了Anubis軟件的主要功能，并基于該軟件分別分析了IGS站和MGEX站的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量，驗(yàn)證了Anubis軟件的可行性。SPP定位的結(jié)果在一定程度上反映了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，王乾[5]利用北斗雙頻信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行SPP分析，結(jié)果表明水平方向定位精度優(yōu)于5 m，垂直方向優(yōu)于8 m。田江博[6]通過(guò)北斗B1、B2、B3組合的不同雙頻數(shù)據(jù)進(jìn)行SPP定位分析，得出B1/B3組合時(shí)標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位精度優(yōu)于其他組合。

為了進(jìn)一步分析多模GNSS實(shí)驗(yàn)跟蹤網(wǎng)(MGEX)的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量，首先，使用Anubis軟件以WUH2、URUM的觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，從衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星可見(jiàn)性、數(shù)據(jù)有效率、多路徑誤差、信噪比等方面分析MEGX站的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量，然后，利用Net_Diff軟件進(jìn)行SPP實(shí)驗(yàn)，分析北斗不同雙頻組合的SPP定位精度。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)

1.1 衛(wèi)星可見(jiàn)性

衛(wèi)星可見(jiàn)性是指地面觀測(cè)站觀測(cè)到的可用衛(wèi)星數(shù)量，只有觀測(cè)到4顆及4顆以上可用衛(wèi)星時(shí)，GNSS才能夠?qū)崿F(xiàn)定位。當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量增多時(shí)能夠增強(qiáng)衛(wèi)星的空間幾何結(jié)構(gòu)，增加觀測(cè)值數(shù)量，從而改善定位的精度[7-8]。

1.2 多路徑效應(yīng)

多頻數(shù)據(jù)的多路徑值可以通過(guò)偽距和載波相位觀測(cè)值的線(xiàn)性組合求得。對(duì)于多路徑效應(yīng)，2/3的IGS站MP1均值小于0.5 m，而2/3的MP2均值小于0.75 m[9]。Anubis軟件的多路徑效應(yīng)值采用如下通用公式進(jìn)行計(jì)算[10]。

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLi

(1)

(2)

式中，MP為偽距多路徑效應(yīng)；P為雙頻偽距觀測(cè)值；L為雙頻載波相位觀測(cè)值；f為頻率；k，i和j為頻率索引。

1.3 數(shù)據(jù)有效率

數(shù)據(jù)有效率指實(shí)際觀測(cè)獲得的觀測(cè)數(shù)占預(yù)期整體應(yīng)觀測(cè)到的觀測(cè)數(shù)的比例[9]。

1.4 信噪比

信噪比是衡量測(cè)距信號(hào)高低的指標(biāo)，并且間接體現(xiàn)了載波相位的精度[11-12]。信噪比是載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，單位為 dB-Hz。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

選取MGEX站武漢站(WUH2)、烏魯木齊站(URUM)2020年第125天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，WUH2和URUM分別位于湖北武漢和新疆烏魯木齊，接收機(jī)類(lèi)型均為JAVAD TRE_3，測(cè)站原始觀測(cè)文件為RINEX 3.04，采樣頻率為30 s，觀測(cè)數(shù)據(jù)中包含北斗二號(hào)(BDS-2)和北斗三號(hào)(BDS-3)的數(shù)據(jù)。BDS-2能夠發(fā)送B1I、B2I和B3I頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)，BDS-3能夠發(fā)送B1I、B3I、B1c、B2a和B2b頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)，BDS-2與BDS-3的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比時(shí)，應(yīng)剔除對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星。本文B1I-2、B3I-2為BDS-2的頻點(diǎn)，B1I-3、B3I-3為BDS-3的頻點(diǎn)。

衛(wèi)星可見(jiàn)性是否滿(mǎn)足定位的最低要求是進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和定位的前提。分析原始觀測(cè)值各觀測(cè)歷元的衛(wèi)星數(shù)量和各衛(wèi)星PRN號(hào)在各時(shí)刻的可見(jiàn)性，分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 WUH2和URUM第125天的衛(wèi)星數(shù)量和衛(wèi)星可見(jiàn)性

由圖1可知，WUH2站全天可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量均在4顆以上，表明在任意時(shí)刻均能實(shí)現(xiàn)GNSS定位，URUM站大部分時(shí)刻都能接收到7顆以上衛(wèi)星，個(gè)別時(shí)刻可見(jiàn)衛(wèi)星低于4顆，表明URUM站在這些時(shí)刻不能實(shí)現(xiàn)GNSS定位；WUH2最少能接收15顆衛(wèi)星，最多能接收到22顆，URUM站最多能接收16顆衛(wèi)星，圖1(b)和圖1(d)分別為WUH2和URUM站各個(gè)衛(wèi)星在第125天各時(shí)間段的可見(jiàn)性。

數(shù)據(jù)有效性反映的是數(shù)據(jù)的可利用率，表1和表2分別為WUH2站和URUM站的數(shù)據(jù)有效性統(tǒng)計(jì)，表格中#_Expt為地平線(xiàn)上的預(yù)期觀測(cè)數(shù)，#_Have為地平線(xiàn)上的實(shí)際觀測(cè)值，%Ratio為#_Have與#_Expt的比例，Expt>10為10°高度角上的預(yù)期觀測(cè)數(shù)，Have>10為10°高度角上的實(shí)際觀測(cè)數(shù)，%Rt>10為Have>10與Expt>10的比例。

由表1和表2可知，WUH2站BDS-2的數(shù)據(jù)有效率明顯高于BDS-3的數(shù)據(jù)有效率，BDS-3各頻點(diǎn)水平線(xiàn)上的數(shù)據(jù)有效率只有68%～77%，而B(niǎo)DS-2各頻點(diǎn)水平線(xiàn)上的數(shù)據(jù)有效率在88%以上，其中,B1I-3頻點(diǎn)水平線(xiàn)上的數(shù)據(jù)有效率最低只有68.72%，高度角10°以上的數(shù)據(jù)有效率為87.92%，B3I-2頻點(diǎn)水平線(xiàn)上的數(shù)據(jù)有效率最高為91.40%，高度角10°以上的數(shù)據(jù)有效率為98.67%，URUM站BDS-3的數(shù)據(jù)整體有效率較高于BDS-2的數(shù)據(jù)有效率，B1I-3頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)有效率最低為77.71%，高度角10°以上的數(shù)據(jù)有效率為93.38%，B3I-3頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)有效率最高為92.49%，高度角10°以上的數(shù)據(jù)有效率為99.49%，說(shuō)明BDS-2和BDS-3各頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)有效率與測(cè)站位置和測(cè)站環(huán)境有關(guān)，與是否為BDS-3無(wú)關(guān)。

表1 WUH2北斗數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計(jì)

表2 URUM北斗數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計(jì)

多路徑誤差與測(cè)站周?chē)挠^測(cè)環(huán)境和接收機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能密切相關(guān)，分別統(tǒng)計(jì)WUH2和URUM站BDS-2和BDS-3不同頻點(diǎn)偽距多路徑誤差，如表3所示。

表3 多路徑誤差統(tǒng)計(jì)表/cm

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，URUM各頻點(diǎn)的多路徑誤差均小于WUH2各頻點(diǎn)的多路徑誤差，由于接收機(jī)類(lèi)型均為JAVAD TRE_3，可見(jiàn)WUH2站周?chē)h(huán)境稍劣于URUM站的周?chē)h(huán)境，但兩個(gè)站各頻點(diǎn)多路徑誤差均小于50 cm，滿(mǎn)足站點(diǎn)對(duì)多路徑誤差的要求。兩個(gè)站B3I-2頻點(diǎn)的多路徑誤差最小，B1I-3頻點(diǎn)的多路徑誤差最大，B1I-2比B1I-3大2～3 cm，B3I-2比B3I-3小15～17 cm。為了分析BDS-2衛(wèi)星和BDS-3衛(wèi)星的多路徑值及多路徑誤差隨衛(wèi)星高度角的關(guān)系，選取WUH2站C02衛(wèi)星和C26衛(wèi)星，分別計(jì)算B1I和B3I頻點(diǎn)的多路徑值，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，相對(duì)而言，C26衛(wèi)星B3I和B1I頻點(diǎn)的多路徑值比C02衛(wèi)星B3I和B1I頻點(diǎn)的多路徑值大，衛(wèi)星高度角變化比較大時(shí)，多路徑誤差值也變化比較大。

圖2 不同衛(wèi)星B1I和B3I頻點(diǎn)多路徑值

由表4可知，BDS-2和BDS-3各頻點(diǎn)的信噪比均在40 dB-Hz以上，BDS-3的B2a+b頻點(diǎn)的信噪比最大，BDS-3的B1I頻點(diǎn)和B3I頻點(diǎn)分別比BDS-2的B1I和B3I高2～3 dB-Hz，說(shuō)明BDS-3的信號(hào)強(qiáng)度稍強(qiáng)于BDS-2的信號(hào)強(qiáng)度。

表4 信噪比SNR統(tǒng)計(jì)表/dB-Hz

為了比較BDS-2衛(wèi)星和BDS-3衛(wèi)星的信噪比值及多信噪比隨衛(wèi)星高度角的關(guān)系，選取WUH2站C02衛(wèi)星和C26衛(wèi)星，分別計(jì)算B1I和B3I頻點(diǎn)的信噪比值，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，C26衛(wèi)星的信噪比和衛(wèi)星高度角成正相關(guān)，即衛(wèi)星高度角變小時(shí)，信噪比值也將變小。

圖3 不同衛(wèi)星B1I和B3I頻點(diǎn)信噪比值

Net_Diff為中科院上海天文臺(tái)張益澤博士開(kāi)發(fā)的一款GNSS數(shù)據(jù)處理軟件，具有SPP/PPP/RTK等功能。通過(guò)使不同的雙頻組合參與SPP定位解算，由此分析其定位精度，在計(jì)算BDS-2的SPP定位結(jié)果時(shí)，剔除掉BDS-3的衛(wèi)星，同樣，在計(jì)算BDS-3的SPP定位結(jié)果時(shí)，剔除掉BDS-2的衛(wèi)星。

由Net_Diff軟件計(jì)算出的WUH2站和URUM站北斗數(shù)據(jù)不同雙頻組合SPP定位RMS結(jié)果可知，如表5所示，WUH2站各雙頻組合SPP定位精度較URUM站 SPP定位精度低，可能是由于WUH2數(shù)據(jù)有效率低，多路徑誤差大造成觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量比URUM站數(shù)據(jù)質(zhì)量低的原因。另外，兩個(gè)站B1C和B2a的雙頻組合SPP定位精度最低，除B1C和B2a組合外，其他雙頻組合SPP定位精度RMS相差不大，不同雙頻組合WUH2站N方向RMS優(yōu)于3.5 m，最優(yōu)可達(dá)到3.027 m，E方向RMS優(yōu)于1 m，最優(yōu)可達(dá)到0.821 m，U方向RMS優(yōu)于3.2 m，最優(yōu)可達(dá)到2.514 m。URUM站N方向優(yōu)于0.5 m，最優(yōu)可達(dá)到0.426 m，E方向優(yōu)于0.6 m，最優(yōu)可達(dá)到0.459 m，U方向優(yōu)于1 m，最優(yōu)可達(dá)到0.695 m。

表5 WUH2和URUM不同雙頻組合SPP定位RMS統(tǒng)計(jì)表/m

由于BDS-2和BDS-3都能發(fā)射B1I和B3I頻點(diǎn)的信號(hào)，因此，分BDS-2和BDS-3統(tǒng)計(jì)B1I和B3I雙頻組合的SPP的RMS。

如表6所示，WUH2站BDS-2和BDS-3的B1I和B3I組合比單BDS-2的B1I和B3I組合N方向RMS提高了12.2%，U方向RMS提高了3.4%，E方向精度略有降低，比單BDS-3的B1I和B3I組合E方向提高了8.4%，U方向上提高了6.1%，N方向精度略有降低。URUM站BDS-2和BDS-3的B1I和B3I的組合比單BDS-2的B1I和B3I組合N方向RMS提高了32.9%，E方向提高了58%，U方向提高了48.8%，比單BDS-3的B1I和B3I組合N方向提高了52.5%，E方向提高了42.4%，U方向提高了67.6%，由此可得，與單BDS-2和單BDS-3相比，BDS-2和BDS-3組合能提高B1I和B3I雙頻組合的SPP定位精度，尤其是U方向上的精度。

表6 WUH2和URUM站B1和B3組合與單BDS-2和單BDS-3 SPP RMS對(duì)比統(tǒng)計(jì)表/m

3 結(jié) 論

本文利用Anubis軟件從衛(wèi)星可見(jiàn)性、數(shù)據(jù)有效率、多路徑、信噪比等方面分析了MGEX站W(wǎng)UH2和URUM站年積日第125天的BDS-3和BDS-2各頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。同時(shí)，利用Net_Diff軟件分析了不同雙頻組合的SPP定位精度，可以得到如下結(jié)論:

(1)WUH2站2020年年積日第125天全天滿(mǎn)足北斗定位所需衛(wèi)星數(shù)最少4顆的條件，而URUM站個(gè)別時(shí)刻無(wú)法利用北斗衛(wèi)星進(jìn)行定位。

(2)數(shù)據(jù)有效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明數(shù)據(jù)有效率與是否為BDS-2或BDS-3無(wú)關(guān)；兩個(gè)MGEX站各頻點(diǎn)多路徑值平均值均小于50 cm和信噪比值在40 dB-Hz以上，滿(mǎn)足相關(guān)要求。

(3)與單BDS-2和單BDS-3相比，BDS-2和BDS-3組合能提高B1I和B3I雙頻組合的SPP定位精度，尤其是U方向上的精度。