北斗观测数据质量检测方法及其软件实现

苏行，何战科，孔垚，孙保琪，杨旭海



北斗观测数据质量检测方法及其软件实现

苏行1,2,3，何战科1,2,3，孔垚1,3，孙保琪1,2，杨旭海1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京100049）

为检测北斗导航系统接收机的观测数据质量，对数据质量检测软件BNC的质量检测模块进行了改进。改进后的BNC软件能够识别北斗系统，正确读取观测文件以及广播星历，并在双频基础上增加了北斗的B3频点，能给出各颗星的多路径值，能正确画出包含GEO卫星在内的卫星高度角示意图、PDOP值示意图、卫星可见性示意图，以及三频的多路径、信噪比的天空视图。

BNC软件；质量检测；北斗接收机

0 引言

北斗卫星导航系统（下文称BDS）是继美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第3个较为成熟的卫星导航系统。2013年12月27日中国卫星导航系统管理办公室发布了北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（2.0版）[1]（下文简称北斗ICD2.0），这无疑会带动北斗系统终端、芯片的研发以及生产，而接收机所接收到的数据能否正常用于定位定轨等，取决于其数据质量，因此数据质量的检测对接收机的评估是十分必要的。

目前比较权威的数据质量分析软件有UNAVCO研发的TEQC，但TEQC目前只能分析GPS、GLONASS的数据质量，且不具有扩展性[2]。开源软件BNC（BKG Ntrip Client）基于Qt库，使用C++语言编写而成，是一个用于同时获取、解码、转换和处理实时GNSS数据流的程序，它主要是一个实时工具，但它同样具备一些后处理功能，比如数据的编辑以及质量分析，其中质量分析包括周跳探测、多路径、卫星可见性示意图、卫星高度角示意图、PDOP示意图[3]。相较于TEQC，BNC还支持GNU公共许可证下RINEXv3格式的文件。目前BNC可分析双频GPS、GLONASS、Galileo这3种导航系统的数据质量，具有开源以及界面友好易操作等特性。

本文首先比较分析了BDS与GPS系统的异同，然后根据其差异对BNC的源代码以及算法做了相应的改进，使其可以分析三频北斗导航系统的数据质量，实现基本的质量检测功能，并正确画出各示意图。

1 BDS与GPS的比较与分析

BDS与GPS有很多相似之处，同时也存在一些差异。由于开源软件BNC可以处理GPS数据，因此对BDS与GPS做比较有助于对BNC进行改进。

1.1 系统比较与分析

目前北斗二代已成功发射16颗卫星，其中14颗可正常提供服务，北斗区域卫星导航系统由5颗地球静止轨道（GEO）卫星、5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和4颗中圆地球轨道（MEO）卫星组成[1]。GPS由分布于6个轨道面内的32颗中圆地球轨道（MEO）卫星组成，仅提供导航等服务，不具备报文通信功能[4]。

下面对BDS和GPS就星座结构、频率、时间系统和坐标系统方面作比较与分析。

1）星座结构：北斗系统包含GEO、IGSO、MEO 3种类型的卫星，而PDOP（三维位置精度因子）值、高度角、方位角的计算均与卫星位置相关，其中IGSO卫星位置的计算方法与MEO相同[5]，因此在卫星位置计算时要考虑GEO卫星的特殊性。GEO卫星位置计算公式参考北斗ICD 2.0。

2）频率：当前北斗系统已发射的信号[4]为：①频率为1561.098 MHz和1589.742MHz的B1（I）和B1- 2（I）公开服务信号；②频率为1207.14MHz的B2（I）公开服务信号；③授权用户信号B3：1268.52 MHz。GPS目前公开的民用信号有L1、L2、L5，但L5目前还未大规模投入使用[6]，其中L1、L2的载波频率分别为1575.42MHz、1227.60MHz[7]，L5为1176.45MHz[8]。

3）时间系统：北斗系统采用的系统时为北斗时（BDT），北斗时的起始历元为2006年1月1日协调世界时（UTC）00:00:00，采用周和周内秒计数[4]，而GPS系统采用的是系统时为GPS时，GPS时的起始历元为1980年1月6日协调世界时00:00:00[9]，因此在修改源码的过程中要考虑到2个时间系统之差。

4）坐标系统：北斗系统的坐标系统为中国2000大地坐标系统（CGCS2000），CGCS2000的定义与国际地球参考系统（ITRS）一致，CGCS2000的实现称为CTRF2000，CTRF2000与国际地球参考框架ITRF的一致性约为几个厘米，因此，对于大多数卫星导航用户来说，可以不考虑CTRF2000与ITRF的坐标转换[4]。

1.2 数据格式比较与分析

考虑到北斗系统与其他系统的兼容性，在制定北斗系统的观测数据文件以及导航信息文件的数据格式时，采用与GPS系统相同的格式，但仍有些许差异。存在于观测数据文件的差异主要是：1）系统标识（C为北斗，G为GPS）以及频率代号（B1、B2、B3为北斗，L1、L2、L5为GPS）的不同；2）导航信息文件的格式稍有不同，导航文件的格式对比见表1。

表1 导航文件格式对比

2 基于BNC的软件实现

2.1 BNC的功能及配置

BNC（BKG Ntrip Client）是一个实时处理工具，它的主要功能有：可检索通过NTRIP传输协议的实时GNSS数据流；也可通过TCP、本地UDP或串行端口获取实时GNSS数据流；为近似实时的GNSS后处理程序生成RINEX观测文件与导航文件；为实时GNSS网络引擎生成星历以及同步或非同步的观测值；为GNSS流动站的实时精密单点定位生成广播星历的轨道以及钟差；监测实时GNSS数据流网络并对中断或损坏的数据流做记录；扫描数据流的天线信息、观测类型、信息类型及其重复率；通过串口将数据流传输到GNSS接收机；进行实时精密单点定位以确定GNSS流动站的位置；同时处理多个广播修正数据流来生成、编码、上传修正后的信息；上传RTCMv3格式的广播星历数据流；读取ASCII格式的GNSS轨道以及钟差，它们由实时GNSS引擎比如RTNet生成，参考系为IGS地心地固参考系[3]。

BNC源代码可以从http://software.rtcm-ntrip.org/svn/trunk/BNC下载，有适用于Windows、Linux、MacOS的版本。最新版本的BNCv2.10所使用的编译器是MinGW4.4.0，使用了Qt4.8.5提供的共享库。在Windows下安装Qt以及配置BNC有以下步骤：首先安装MinGW（设定其安装路径为C:MinGW）与Qt共享库（设定其安装路径为C:Qt4.8.5），然后按照以下方式修改Windows的环境变量：令QTDIR为C:Qt4.8.5；在PATH中添加C:MinGWin以及C:Qt4.8.5in；令QMAKESPEC为C:Qt4.8.5makespecswin32-g++。在BNC目录下执行命令qmake bnc.pro，输入命令mingw32-make，在src目录下即可找到bnc.exe文件。

2.2 对BNC的改进

BNC的质量分析包括以下几部分：周跳的探测，多路径的计算，卫星可见性示意图，卫星高度角示意图，PDOP值示意图，多路径以及信噪比的天空视图。主要修改了以下几个源代码文件：常数文件bncconst.cpp，质量分析、画图文件reqcanalyze.cpp，星历文件ephemeris.cpp。

BNC中周跳探测，多路径等计算模块只能识别并计算GPS系统2个频点的数据，且输出文件中仅给出总体均值，没有给出各颗星的数据，这对相关问题的分析与判断影响颇大。另外，卫星高度角的计算、PDOP值的计算、天空视图的绘制均与卫星位置的计算有关系。

针对以上问题，对BNC进行了如下扩展与改进：1）增加了BDS的识别模块；2）增加了北斗B3频点；3）增加了读取北斗广播星历模块；4）增加了计算BDS中GEO卫星位置的计算模块；5）调整了时间系统；6）在输出中增加了每颗星的多路径值的详细信息。

通过对代码的修改，软件可以识别北斗系统，正确读取导航星历文件，且能识别并计算北斗系统的B3频点，在输出文件中可列出各颗星的多路径RMS值，并正确画出各示意图。

由于增加了B3频点，因此在计算多路径时稍作调整。多路径计算的公式[10]为：

BNC数据质量检测流程见图1，每个虚线框对应当前步骤所能提供的功能。图1中左边虚线框所示为原始BNC的功能，右边则为修改后的功能。

图1 BNC数据质量检测流程图

2.3 测试结果

首先验证其可信度。使用改进后的BNC与TEQC分别处理GPS数据，实验数据选自2014年年积日001的IGS北京房山站的GPS观测数据。

在周跳探测方面，由于软件设计有所不同，TEQC可探测出所有周跳，包括大周跳与小周跳，而BNC不能完全探测出所有周跳。

将2种软件计算出每颗星的多路径RMS的结果作差，由图2（diffMP1为BNC与TEQC分别计算出32颗星L1频点的多路径之差，diffMP2为L2频点的多路径之差）可见2种软件给出的结果之差大多在厘米级，由此判定BNC给出的多路径结果是可信的，且小周跳对多路径计算的影响不大。

图2 2种软件解算出GPS系统每颗星多路径RMS的差值（单位：m）

验证修改后的BNC的可信度之后，使用其处理北斗观测数据。实验数据选自2013年年积日190的iGMAS[12]（international GNSS monitoring & assessment service）昆明站的实测北斗数据。iGMAS是北斗卫星导航系统的重要组成部分，其功能与国际GNSS服务（International GNSS Service）相当。

软件给出的北斗系统数据质量检测文本如图3所示。图3中Slips（file）为探测出的数据跳变（间断）个数，Slips（found）为BNC标记的周跳个数。输出文本中12~25行为北斗系统每颗星3个频点的多路径RMS值，26~28行是3个频点的多路径平均值，29~31行是3个频点的信噪比平均值。此外该数据质量检测文本中还包括接收机、天线类型（隐去）、起止时间、采样间隔、理论观测数量、实际观测数量等基本信息。

图3 改进后BNC给出的北斗系统质量检测文本

3个频点的多路径的天空视图如图4所示，主要分布在0~1 m之间。表盘刻度指示方位角，内圈刻度指示高度角，每条曲线代表对应卫星的轨迹，由于GEO卫星的静地特性，其轨迹近似点状。

图4 3频北斗系统的多路径天空视图

3个频点的信噪比的天空视图如图5所示。主要分布在6~8（RINEX标准化信号强度，9最强）之间。

图5 三频北斗系统的信噪比天空视图

图6包括卫星可见性示意图（图6（a））、卫星高度角示意图（图6（b））和PDOP值和卫星数量示意图（图6（c），其中细线条和对应右侧刻度，表示PDOP；粗线条对应左侧刻度，表示卫星数量）。

图6 卫星可见性、高度角、PDOP值示意图

3 结语

通过对BDS与GPS导航系统的系统构成以及数据格式的分析比较，总结出差异主要在于以下5方面：1）卫星位置计算方法（星座结构不同）；2）频点；3）时间系统；4）观测文件系统标识；5）导航文件格式。针对这几点，在开源软件BNC的基础上对其质量分析模块进行相应的改进，使其可以识别北斗系统的观测文件以及广播星历，分析三频数据的质量，并正确给出包含GEO卫星在内的卫星可见性示意图、卫星高度角示意图、PDOP示意图、三频多路径以及信噪比的天空视图。修改后的BNC具有界面友好、易用、易扩展等特性。

[1] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件(公开服务信号)[S]. 2.0版. 北京: 中国卫星导航系统管理办公室, 2013.

[2] ESTEY L, WIER S. Basics of Teqc Use and Teqc Products[S]. USA: UNAVCO Facility, 2013.

[3] Federal Agency for Cartography and Geodesy. BKG IVtrip Client[P/OL].(2013-12-01)[2014-05-01]. http://software.rtcm-ntrip.org/svn/trunk/BNC.

[4] 杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 测绘学报, 2010, 39(1): 1-6.

[5] 刘季. 北斗GEO卫星位置计算方法探究[J]. 测绘地理信息, 2012, 37(5): 33-36.

[6] 孔垚. 区域网多星定轨与时间同步[D]. 西安: 中国科学院研究生院, 2012.

[7] 李孝辉, 杨旭海, 刘娅, 等. 时间频率信号的精密测量[M]. 北京: 科学出版社, 2010.

[8] Global Positioning Systems Directorate. Global Positioning Systems Directorate Systems Engineering & Intergration Interface Specification IS-GPS-200[S]. USA: [s.n.], 2012.

[9] KAPLAN E D, HEGARTY C J. GPS原理与应用[M]. 寇艳红, 译. 北京: 电子工业出版社, 2008.

[10] SIMSKY A, MERTENS D, SLEEWAEGEN J M, et al. Experimental results for the multipath performance of Galileo signals transmitted by GIOVE-A satellite[J]. International Journal of Navigation and Observation, 2008: 1-13.

[11] 孙保琪. 基于三频数据的Compass卫星精密定轨[D]. 西安: 中国科学院研究生院, 2010.

[12] 何战科, 李志刚, 杨旭海, 等. 基于我国全球连续监测与评估系统的ERP测定的精度分析[J]. 全球定位系统, 2010, 5: 21-24.

Method of checking Beidou observationquality and software implementation

SU Hang1,2,3, HE Zhan-ke1,2,3, KONG Yao1,3, SUN Bao-qi1,2, YANG Xu-hai1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

For checking the quality of the Beidou navigation satellites system data observed with the receivers, the quality-check model of BNC, a software for checking the quality of the observations, has been improved. The improved BNC can recognize the Beidou system and read the observation file and broadcast ephemeris correctly. Besides, the frequency B3 is added to the original dual-frequency in this program, and the multipaths for various satellites can be listed in the output file, furthermore the multipath-analysis sky plots and the signal-to-noise sky plots for three-frequencies, as well as the satellites elevation plots, the PDOP plots and the satellite availability plots for the satellites, including GEO satellites, are given in this program.

BNC software; quality-check; Beidou receiver

TN228.4

A

1674-0637(2014)04-0234-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-04-0234-08

2014-02-25

国家自然科学基金资助项目（11173026）

苏行，女，硕士，主要从事GNSS数据处理方面的研究。