iGMAS BDS-3觀測數據質量建模與應用

苗 偉 安士凱 徐燕飛 薛 博 趙得榮 李 浩

(1. 煤礦生態環境保護國家工程實驗室, 安徽 淮南 232001;2. 安徽省煤礦綠色低碳發展工程研究中心, 安徽 合肥 230601;3. 平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司,安徽 淮南 232001)

0 引言

近年來,全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)技術發展迅猛,目前主流的衛星導航系統包括全球定位系統(global positioning system, GPS)、北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system, BDS)、格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system, GLONASS)、伽利略衛星導航系統(Galileo satellite navigation system, Galileo)、準天頂衛星導航系統(quasi-zenith satellite system, QZSS)以及印度區域導航衛星系統(indian regional navigation satellite system, IRNSS)[1]。BDS-3衛星在原BDS-2衛星B1I、B2I、B3I信號的基礎上,新增B1C、B2a、B2b新信號[2]。各衛星導航系統之間原理基本相同,但采用的衛星信號頻率略有差異,這也為多GNSS衛星導航奠定了基礎[3]。

衛星觀測數據的質量嚴重影響著衛星導航的能力[4]。國內外諸多學者采用多種方式對衛星信號數據質量開展了研究,武漢大學謝昕[5]對BDS-3e衛星數據質量的載噪比、偽距多路徑和噪聲等指標進行了分析,實驗結果表明,BDS-3e衛星在觀測數據質量方面的表現要比BDS-2衛星更優。楊元喜[6]院士著重從偽距多路徑誤差與信噪比方面對BDS-3e衛星導航信號的性能進行了評定,得到BDS-3e信號的信噪比值與高度角成正比的結論。并且,在信噪比方面,BDS-3e衛星的表現較BDS-2衛星更好。胡玉坤[7]等采用GNSS數據預處理軟件(translation,editing and quality checking,TEQC)對GPS衛星信號數據質量進行了分析。郭恒洋[8]等采用TEQC軟件對單基站連續運行參考站數據質量進行了分析。金蕾[9]、楊婷婷[10]等指出TEQC具有交互性差、無法處理與接收機無關的交換格式(receiver independent exchange format 3,RINEX3)的數據等缺點,基于TEQC軟件的數據質量分析模塊,開發了數據分析檢查軟件(data quality checking,DataQC),該軟件可實現對RINEX2、3格式的BDS/GPS衛星數據的分析處理,但仍然缺少批處理功能,對于處理數據量過多時,其缺點較為明顯。

全球連續監測評估系統(international GNSS monitoring and assessment system,iGMAS)是中國為了使BDS更好地服務于用戶而發起建設的,其功能與國際GNSS服務(International GNSS Service,IGS)類似。iGMAS在海內外建成并投入使用且正常運行的跟蹤站有24個,但目前針對各跟蹤站接收BDS-3衛星信號能力的研究相對較少[11]。

基于以上研究存在的問題,本文通過分析TEQC數據處理模塊的基本原理,實現了iGMAS多GNSS數據質量分析軟件(iGMAS multi GNSS data quality analysis,MGQA)的開發,該軟件支持讀取RINEX2、3格式的文件、可視化操作界面以及批處理功能。結合iGMAS跟蹤站的觀測數據,對該軟件的性能進行測試以及對iGMAS跟蹤接收BDS-3衛星B1C/B2a新信號的能力進行了評價。

1 MGQA軟件介紹

MGQA軟件是基于公式翻譯器語言(formula translator,Fortran)開發的一款可視化數據處理軟件,該軟件的主要原理與目前用戶量最多的數據質量分析軟件TEQC類似,數據質量評估指標主要包括數據完整率(data integrity rate，DIR)、信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)、多路徑效應誤差(multipath effect error，MP)電離層延遲及變化率(ionospheric delay，IOD)、周跳比(cycle skip ratio，CSR)[12-14]。

MGQA軟件數據處理功能主要分為兩大塊：解算多站和解算多天。用戶可以根據需要對軟件計算時的參數進行設置,具體包括計算的年積日、計算的年份、計算的跟蹤站、計算的類型(解算多站或解算多天)等。軟件參數設置界面如圖1所示。

圖1 參數設置模塊

2 軟件有效性分析

為了驗證MGQA軟件的有效性,選取iGMAS跟蹤站2021-02-07—2021-02-16的GPS觀測數據,分別采用TEQC與MGQA軟件進行衛星信號數據質量分析。將各指標分析結果取均值后如圖2所示。

圖2 TEQC與MGQA數據質量分析結果

以TEQC的GPS數據質量分析結果為準確值,對比MGQA與TEQC軟件質量分析結果,DIR中誤差為0.27、SNR中誤差為0.85 dB、MP中誤差為0.046 m、IOD中誤差為0.01 m/min、CSR中誤差為1.67。圖2中,為了更直觀地對比TEQC與MGQA質量分析結果,將MP值擴大100倍、IOD值擴大1 000倍、CSR值擴大10倍。由圖2可知,兩種軟件的數據質量分析結果具有高度一致性,說明MGQA可以用來評價GNSS衛星信號質量,結果可靠。

3 基于MGQA軟件的應用

本節基于iGMAS跟蹤站的BDS-3觀測數據,利用MGQA軟件對其進行數據質量分析,評價iGMAS跟蹤站接收BDS-3衛星信號的能力。

實驗數據選擇：本文按照接收機類型選擇了8個iGMAS跟蹤站2021-02-07至2021-02-16的觀測數據進行質量分析,其采樣間隔為30 s。表1展示了8個跟蹤站配備的接收機類型。

表1 iGMAS 8個跟蹤站接收機類型

3.1 數據完整率分析

為了能獲得完整的理論觀測值,實驗中將衛星高度角設置為0°。圖3展示了各跟蹤站對BDS-3衛星B1C/B2a信號接收的數據完整率情況。

(a)B1C

由圖3可知,對于B1C頻點,赫曼努斯站接收C40號衛星信號時,數據完整率為92.18%,低于95%,但仍然高于85%;對于B2a頻點,西安站接收C25號衛星時,數據完整率為92.08%,低于95%,但仍然高于85%;赫曼努斯站與西安站均搭載的GNSS-GGR接收機,說明該種類型接收機在數據完整率方面表現不如UB4B0-13478、CETC-54-GMR-4016以及CETC-54-GMR-4011接收機。

3.2 信噪比分析

信噪比分析結果如圖4所示。

(a)B1C

由圖4可知,對于B1C頻點,赫曼努斯站C38與C40號衛星信噪比值分別為38.62 dB與39.34 dB,小于40 dB,其余測站各衛星信噪比值均大于40;對于B2a頻點,各衛星信噪比值均大于40 dB;說明4種類型接收機對BDS-3衛星B2a頻點信號的接收能力要強于B1C頻點。

3.3 多路徑效應誤差分析

多路徑效應誤差分析結果如圖5所示。

(a)B1C

由圖5可知,對于B1C頻點與B2a頻點,搭載了CETC-54-GMR-4016接收機的卡爾加里站各衛星多路徑誤差均為最大,說明卡爾加里站周圍環境較為復雜,且CETC-54-GMR-4016接收機抗多路徑能力較差。

3.4 電離層延遲及延遲變化率分析

電離層延遲變化率分析如圖6所示。

(a)B1C

由圖6可知,對于B1C頻點與B2a頻點,搭載了UB4B0-13478接收機的昆明站各衛星電離層延遲變化率最大,但均小于4 m/min,說明UB4B0-13478接收機削弱電離層延遲能力較差。

3.5 周跳分析

周跳分析結果如圖7所示，赫曼努斯站與達爾文周跳現象較嚴重。說明GNSS-GGR接收機與CETC-54-GMR-4011接收機的B1C/B2a頻點易發生周跳。UB4B0-13478接收機與BCETC-54-GMR-4016接收機在抑制周跳方面表現良好。

圖7 各跟蹤站B1C/B2a頻點組合周跳比

4 結束語

(1)筆者通過對TEQC軟件的數據處理模塊進行研究,基于Fortran語言,實現了iGMAS多GNSS數據質量分析(MGQA)軟件的開發。該軟件的優點在于可支持讀取RINEX2、3格式的文件、可視化操作界面以及批處理功能。

(2)通過選取iGMAS跟蹤站的GPS觀測數據,采用TEQC軟件與MGQA軟件分別進行數據質量分析,實驗結果表明，二者數據質量分析結果具有一致性,驗證了MGQA軟件的有效性。

(3)通過選取iGMAS跟蹤站的觀測數據,利用MGQA軟件對iGMAS各跟蹤站接收BDS-3衛星B1C與B2a信號的能力進行評價。實驗發現：GNSS-GGR接收機在數據完整率方面表現不如UB4B0-13478、CETC-54-GMR-4016以及CETC-54-GMR-4011接收機,CETC-54-GMR-4016接收機抗多路徑能力較差,UB4B0-13478接收機削弱電離層延遲能力較差,GNSS-GGR接收機與CETC-54-GMR-4011接收機的B1C/B2a頻點易發生周跳,且4種類型接收機對BDS-3衛星B2a頻點信號的接收能力要強于B1C頻點。