基于靶場CORS 的試驗區北斗數據質量分析

馮江海，于國棟，王春陽，張黛，馮吉花，安娜

( 中國人民解放軍63869 部隊, 吉林 白城 137001 )

0 引言

衛星導航定位技術的迅猛發展，推動了我國綜合定位、導航和授時(positioning，navigation and timing，PNT)系統的建設，為智慧城市、物聯網、智能交通等體系建設提供了全球覆蓋、全天候的時間與位置服務[1]. 我國自主研發的北斗三號(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)自2020 年6 月完成全球組網，不僅向全球用戶提供標準PNT 服務、全球短報文通信(global short message communication, GSMC)和國際搜救(search and rescue，SAR)服務，還向中國及周邊地區提供星基增強(satellite-based augmentation system，SBAS)、精密單點定位(precise point positioning，PPP)和區域短報文通信(regional short message communication，RSMC)[2]. 蔡洪亮等[3]利用iGMAS實測數據對BDS-3 六類服務的核心指標進行了評估，為北斗不同類型的用戶提供了科學的參考.

觀測數據的質量直接影響系統定位的可靠性、穩定性、可用性和定位精度，從根本上影響系統的性能服務水平，并間接影響到系統的全球化應用進程[4].文獻[5-6]認為BDS-3 的載噪比(carrier to noise ratio，CNR)優于北斗二號(BeiDou-2 Navigation Satellite System，BDS-2)，兼容互操作性、數據完整率、數據飽滿度和連續性都有不算錯的表現. 文獻[7-9]對北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)的數據質量進行詳細分析，但相關結論僅基于有限幾天的數據，沒有研究全年的變化趨勢，長周期性變化趨勢有待總結. 由于各系統用于組網的中圓地球軌道(medium earth orbit，MEO)衛星運行周期大多分為12 h，地球靜止軌道(geostationary earth orbit，GEO)衛星運動狀態相對靜止，所以每個區域可視衛星相對較為穩定，因此基于區域連續運行參考站(continuously operating reference station，CORS)連續觀測數據分析區域GNSS 數據質量就顯得很有意義.參照國際GNSS 監測評估系統(International GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS)對全球各系統衛星數據質量進行監測評估的模式，文章探討了基于CORS 連續觀測數據進行用戶應用端數據質量分析的方法，為下一步基于靶場CORS 建立試驗區GNSS 數據觀測與評估系統奠定理論基礎.

1 觀測數據質量指標

本文將針對數據完整率、周跳比、多路徑誤差、CNR 和偽距單點定位(single point positioning，SPP)精度五個方面質量指標[10]，從衛星系統、觀測值數據類型和指定衛星三個角度進行數據質量分析.

1.1 數據完整率

數據完整率表示接收機觀測到衛星的實際歷元數據量與理論歷元數據量的比值，能夠反映跟蹤站點在不同截止高度角范圍內數據的可用性和完好性，比值越大說明數據質量越好. 為了消減電離層延遲影響、提高定位精度，往往采用多頻觀測數據進行線性組合，因此文章同時也對雙頻4 星的數據完整率進行了統計.

1.2 周跳比

周跳比表示觀測時間段內，接收機接收的實際歷元數據量與發生周跳歷元數據量的比值，能夠反映觀測環境周圍的遮擋和電磁干擾等綜合環境情況，一般常用每千歷元周跳數(cycle slips per 1 000 obs, CRS)來表示，數值越小越好. 超過半數的國際GNSS 服務International GNSS Service，IGS)站的CRS 年平均值小于5，2/3 以上的CRS 年平均值小于10[11].

1.3 多路徑誤差

多路徑誤差與測站周圍環境和接收機內部結構、技術性能密切相關，該項誤差通過差分或者建模的方式無法有效消除，但是針對雙頻或多頻GNSS 觀測數據，可通過多個頻點觀測數據的線性組合消除對流層延遲和電離層延遲的一階項影響，并扣除衛星和接收機之間幾何距離后，再進行相應的周跳探測修復和粗差剔除，從而有效計算出觀測時段內任一GNSS、任一頻率、任一衛星的多路徑誤差值，2/3 的IGS 站L1 頻點的偽距多路徑延遲(MP1)平均值小于0.5，L2 頻點的偽距多路徑延遲(MP2)平均值小于0.75[11].

1.4 CNR

CNR 表示已調制信號的平均功率與噪聲功率譜密度之比，反映了信號在整個發射和接收過程中的增益與損耗，受接收機跟蹤、捕獲信號的能力以及內部抑制噪聲的能力、觀測環境等因素的影響，數值越大表明觀測數據質量越好.

1.5 SPP

偽距觀測數據質量的好壞對定位精度產生直接影響，基于空間距離后方交會實現的SPP 定位速度快，使用方便，常用作衡量導航信號穩定性和數據質量的重要指標[12-14].

2 試驗結果分析

2.1 全年GNSS 各系統數據完整率分析

選取CORS 站HUEG 測站(基本信息如表1 所示)2021 年全年分布的數據(每個月任選2 d，合計24 d數據)，統計每天各系統可接收衛星數和幾何精度因子(geometric dilution of precision，GDOP)值如圖1所示，同時選取其中一天的觀測數據繪制衛星天空如圖2 所示，并統計可視數據完整率和可視衛星軌跡曲線數如表2 所列.

圖1 各系統可接收衛星數量對比圖和GDOP 對比圖

圖2 各系統衛星天空圖(連續時段30 min)

表1 HUEG 站址基本信息

表2 各系統可視數據完整率和可視衛星軌跡曲線數(連續觀測數據)

由圖1 可知，各系統全年可視衛星數比較穩定，BDS 可視衛星最多，GPS 可視衛星數與BDS-3 衛星數相當；從GDOP 值變化圖上看，GPS 年平均GDOP值較其他系統好，BDS 其次，GLONASS 最差；但從GDOP 穩定性來看，BDS 全年星座結構比較理想，GPS 在年積日第213 天和年積日第300 天波動較大.

由表2 可知，各系統可視衛星數據率相當，GPS相對較低；GPS 和GLONASS 衛星信號容易被捕獲，但衛星容易失鎖，導致小片段數據(以5 min 數據為例)較多，數據連續性較差，北斗數據完整性相對較好.

分別統計2021 年各系統不同截止高度角范圍內實際接收數據完整率、可用數據完整率(雙頻、4 顆以上衛星、星歷數據完整)、星歷缺失數據比例、單頻數據比例CRS 和每千歷元數據中斷情況如圖3 所示.

圖3 各系統數據完整性對比圖

由圖3 可知：

1) GPS 數據完整性較其他系統要好，Galileo 其次，年平均值分別為94.52%、93.56%，GLONASS 數據完整性較差，數據完整率最低時為47.63%；

2) 年積日第121—337 天(除了年積日227 天)由于星歷文件缺失導致各系統可用歷元數據完整率較差；

3) GLONASS 單頻偽距/載波觀測量相比其他系統出現頻率較高，BDS 單頻數據出現比例最低，即可用的多頻數據較多；

4) 根據統計學規律[11]，超過半數IGS 站的CRS年平均值小于5，2/3 以上的年平均值小于10，根據文獻[10]規定，任一GNSS 的CRS 不大于2，而此次樣例中，GLONASS 的CRS 遠大于5，年平均值為13.77，測站周跳影響較為嚴重，而其他系統年平均值分別為1.25(GPS)、0.37(Galileo)、0.65(BDS)，滿足測量規范相關規定. 同時，導航電文缺失期間，周跳和數據中斷現象明顯較為嚴重.

2.2 同頻GPS、BDS 和Galileo 數據質量對比

為了實現與其他GNSS 的兼容互通，BDS-3 頻點設計時采用了與GPS、Galileo 相同的頻率，具體情況如表3 所示.

表3 GPS、Galileo 和BDS 同頻點信息情況表

采用2021 年HUEG 測站全年數據對GPS、BDS 和Galileo 兼容互通的頻點進行數據完整率、多路徑誤差和CNR 情況計算，由于各系統兼容頻點較多，因此文章采用6 字符定義各信道名，其中前3 字符代表星座，第4 字符代表數據類型，后2 個字符代表信道，如圖4 所示.

圖4 同頻點各系統數據質量對比

通過對BDS-3 信號的數據完整性、多徑和CNR進行分析，并與同頻的GPS、Galileo 信號作對比可得結論如下：

1) 同頻點BDS-3 信號數據完整性較其他系統更穩定，均值在90%以上，滿足規范指標要求，年積日213 當天GPS 的L1C 和L5 數據完整性較差.

2) 各系統多徑影響均小于0.5 m，滿足規范指標要求，其中Galileo 同比多路徑影響最小，BDS-3 B2a和B2b 信號同比多路徑影響較大.

3) 各系統CNR 的平均值均大于35 dB·Hz，滿足規范指標要求，其中Galileo 的E1 和GPS 的L5，與相同頻點的其他系統數據相比，噪聲相對較小，BDS-3各頻點噪聲影響相對比較穩定，數據處理精度要求不高時可考慮將其作為系統誤差進行消減.

對年積日227 當天觀測數據的多路徑誤差和CNR 按歷元進行時序分析，如圖5 所示，同時統計均值如表4 所示.

圖5 年積日227 各系統同頻點數據質量對比

表4 年積日227 當天 GPS、Galileo 和BDS 同頻點多徑和CNR 均值

通過對年積日227 天的觀測數據進行同頻點各系統多路徑和CNR 時序分析可得：

1)同頻點BDS-3 較GPS 和Galileo 在年積日227 當天所造成的多路徑影響大，但是影響比較穩定，均小于0.5 m，GPS 和Galileo 的多路徑均值雖然較低，但是部分歷元多徑影響超過0.5 m 的指標要求；

2)同頻點BDS 信號的噪聲影響較Galileo 低，GPS 的L5 信號的強度較Galileo 的E5a 和BDS 的B2a 要強.

2.3 BDS 各頻點數據質量對比

對2021 年HUEG 測站的BDS 觀測數據按頻點分別對數據完整率、多路徑誤差和CNR 進行分析計算，如圖6 所示.

圖6 北斗各頻點數據質量變化

通過分析BDS 全年各頻點的數據質量，可以發現：

1) B2I 作為BDS-2 的頻點，在BDS-3 衛星上仍有播發，但數據完整率較差，年平均值為67.20，其余頻點數據完整率年平均值均大于98.5%，BDS-3 數據完整性較好，年積日202 當天BDS-3 數據完整性整體較差，均值92.14%；

2) BDS-2 頻點B2I 及過渡頻點B1I 在該測站受到的多路徑影響較為嚴重，且B2I 受到的噪聲影響也最大，年均值39.83%；

3) 融合頻點B2(B2a+B2b)具有較好的多路徑和噪聲抑制作用.

選取年積日227 當天的觀測數據，對BDS 各頻點的數據完整率、多路徑誤差和CNR 逐歷元進行時序分析，如圖7 所示.

圖7 年積日227 當天BDS 各頻點數據質量時序變化

通過對年積日227 當天的觀測數據，進行BDS各頻點時序分析可得結論如下：

1) BDS-2 頻點B2I 受環境影響較大，其次是過渡信號B1I，13:30—14:00 多路徑影響遠大于0.5 m的限差要求，BDS-3 信號頻點整體抗多路徑影響性能較好；

2) BDS 各頻點受噪聲的影響整體規律相似，BDS-2頻點B2I 和過渡頻點B1I 和B3I 相對于BDS-3 頻點信號強度較差，抗噪聲能力較弱；

3) BDS-3 融合頻點B2(B2a+B2b)整體抗多路徑影響和抗噪聲能力較強.

2.4 BDS 不同類型衛星數據質量分析

與GPS、Galileo 和GLONASS 相比，BDS 創新的采用多類型衛星混合組網模式，既滿足了全球PNT服務的優質保障，為GEO 衛星的使用提供了SBAS、RSMC 等特色服務，同時高軌衛星的使用增強了亞太地區衛星的可見性，較其他星座設計上具有巨大的優勢.

選取年積日227 當天BDS-3 不同類型的衛星各1 顆(GEO(PRN60)、MEO(PRN23)和傾斜地球同步軌道(inclined geo-synchronous orbit，IGSO)衛星(PRN39))分別計算偽距多路徑誤差(MP)和CNR，如圖8~9 所示.

圖8 BDS 不同類型衛星多路徑和高度角時序分析

圖9 BDS 不同類型衛星CNR 和高度角時序分析

通過對不同軌道衛星、不同頻點觀測數據進行多路徑和CNR 時序分析可得：

1) IGSO 和MEO 衛星的多路徑誤差均隨著高度角的降低而發散，多路徑誤差變化較大；同時隨著高度角的降低，觀測噪聲也相對增大；

2) GEO 衛星的高度角無明顯變化，B3I 信號多路徑誤差整體較B1I 小的多，由于GEO 衛星高度角較為穩定，所以B1I 和B3I 的CNR 變化不是很明顯，在GEO 衛星信號強度監測過程中發現了B2I 的信號數據，具體原因還需進一步分析；

3) B1I 頻段信號的抗多路徑和抗噪聲性能要差于其他頻段，B2b 和B2(B2a+B2b)相對來說多路徑誤差較小、CNR 較高.

2.5 SPP 精度分析

利用2021 年HUEG 測站偽距觀測數據進行SPP. 并與IGS 已知站址坐標進行對比，經坐標變換和高斯投影以后可得各單系統(GPS、BDS、Galileo 和GLONASS)和多系統(GNSS)平面和高程殘差如圖10所示，對年積日227 當天觀測數據逐歷元進行SPP，并與已知站址坐標進行對比，可得SPP 定位精度殘差如圖11 所示.

圖10 HUEG 測站2021 年SPP 定位精度變化圖

圖11 HUEG 測站年積日227 當天SPP 定位精度時序圖

從定位精度殘差圖可以發現：

1)多系統定位精度和穩定性都較好，單BDS 定位精度和單GPS 定位精度相當，精度穩定性較其他系統好；

2)單GLONASS 定位數據精度和可靠性較差.

3 結束語

利用CORS 連續運行的特性對試驗區觀測數據進行持續分析，經過統計評估可得出試驗區逐年、逐月和逐日的衛星數據質量變化規律，本文以2021 年觀測數據為樣本對五個主要數據質量指標進行分析：

1) BDS 可視衛星數最多，GDOP 值比GPS 略大，但全年GDOP 值穩定性和數據完整性較好；

2)與同頻的GPS 和Galileo 信號相比，Galileo 的多徑影響最小且信號強度最大，但BDS 的數據完整率和CNR 穩定性較高；

3) BDS-2 頻點B2I 數據完整性較差且多路徑影響最嚴重，融合頻點B2(B2a+B2b)具有較好的多路徑和噪聲抑制作用；

4) IGSO 和MEO 衛星的多路徑誤差隨高度角的降低而發散，誤差變化較大，且觀察噪聲也相對增加，GEO 衛星的B3I 信號的多路徑誤差影響較B1I小的多；

5)多系統定位精度和穩定性都較好，單BDS 定位精度和單GPS 定位精度相當，精度穩定性較其他系統好，單GLONASS 定位數據精度和可靠性較差.