北斗数据质量分析软件设计与实现

潘 林,蔡昌盛

(中南大学 测绘与遥感科学系，湖南 长沙 410083)

北斗数据质量分析软件设计与实现

潘 林,蔡昌盛

(中南大学 测绘与遥感科学系，湖南 长沙 410083)

随着北斗卫星导航系统的发展，北斗卫星数据在许多领域得到广泛应用，对北斗数据质量的监测变得越来越重要。文中在Visual Studio 2008开发平台下基于C++语言，设计并实现北斗数据质量分析软件，分析软件具有分析观测数据中多路径误差、周跳、载噪比、数据可用率和电离层延迟等信息的功能。利用开阔环境、树林环境、玻璃幕墙环境中的观测数据对分析软件进行测试，结果表明，分析软件能够真实反映出观测数据的质量情况。

北斗；质量分析；软件设计；多路径；周跳；载噪比；数据可用率；电离层延迟

截止2012年10月25日，北斗卫星系统已成功发射16颗卫星，并在2012年12月27日组网运行，形成区域服务能力，面向我国及周边地区提供无源定位、导航和授时等服务。随着北斗卫星系统的建设，其多模芯片、天线、板卡等关键技术纷纷取得突破，掌握了自主知识产权，实现了产品化，在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象测报、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾和国家安全等领域得到广泛应用。

随着北斗卫星系统的应用范围越来越广，对其数据质量的监测变得必不可少，并且北斗用户在使用北斗卫星数据之前，也迫切想了解其数据质量如何。基于此，本文分析了观测数据中的多路径误差、周跳、载噪比、数据可用率、电离层延迟等信息，在Visual Studio 2008开发平台下基于C++语言，设计并实现了北斗数据质量分析软件，并利用3种不同环境中的观测数据对软件进行了测试。该软件已经登记了国家计算机软件著作权。

1 软件测试数据

为了验证此软件是否能够真实反映不同环境北斗数据的质量情况，特选取开阔环境、树林环境、玻璃幕墙环境(见图1)中的观测数据对软件进行测试。

图1 软件测试数据采集环境

图1(a)所示为开阔环境观测点，位于中南大学校本部内的一栋宿舍楼楼顶，楼高20 m以上，地势很高，周围十分开阔，没有任何遮挡物；图1(b)所示为树林环境观测点，位于中南大学校本部采矿楼前的一片树林中，树叶较浓密，遮挡很明显；图1(c)所示为玻璃幕墙环境观测点，位于中南大学新校区外语楼前，该楼有一面光滑的玻璃墙，可以对卫星信号产生强烈的反射。

采集数据的接收机由南方测绘公司生产，接收机类型是“SOUTH S82-C”。数据采样间隔为20 s，截止高度角设为10°。其中开阔环境数据在2012年12月8日采集，时段长度约24 h。树林环境数据和玻璃幕墙环境数据分别在2012年7月29日和2012年7月26日采集，时段长度均为4 h 50 min。

2 软件设计与实现

北斗数据质量分析软件共有7个模块，分别为数据读取、卫星轨道计算、周跳探测、多路径计算、载噪比计算、电离层延迟计算和质量分析结果。图2所示是软件的主界面。下面以开阔环境观测数据为例，对各模块的功能和计算原理进行说明。

图2 北斗数据质量分析软件主界面

2.1 数据读取模块

此模块主要是读取观测文件和星历文件，将这些数据信息传递到其他几个模块进行后续计算。在观测文件的读取过程中，如果某颗卫星某一历元的伪距观测值或者载波相位观测值缺失，将此颗卫星此历元的数据剔除；如果某颗卫星的星历信息缺失，那么剔除这颗卫星的所有数据。

2.2 卫星轨道计算模块

此模块主要是获得卫星的轨道、高度角和方位角信息。目前可以观测到14颗北斗卫星，其中C01至C05属于地球静止轨道(GEO)卫星;C06至C10属于倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星;C11至C14属于中圆地球轨道(MEO)卫星。北斗卫星中IGSO卫星和MEO卫星的计算方法和GPS卫星类似[1]，不同的是在计算GEO卫星位置的过程中需要乘以一个5°的旋转矩阵。

获得的卫星轨道、高度角、方位角信息可以单项文件输出，也可以绘图显示。图3、图4所示是北斗卫星的轨道图和高度角图，图中不同卫星用不同的颜色标示出。从图中可知，GEO卫星的位置、高度角变化十分微小，而IGSO卫星轨道呈“8字形”，其高度角只有在“8字形”底端时才很小，所以IGSO卫星能维持长时间较高的高度角。

图3 北斗卫星轨道图

图4 北斗卫星高度角图

2.3 周跳探测模块

此模块主要是获得观测文件中各卫星的周跳情况，周跳探测使用TurboEdit方法[2-3]。获得的周跳信息可以单项文件输出，也可以图形显示。图5所示是北斗卫星的周跳图。图中不同颜色表示卫星的高度角，红点表示周跳。从图5中，不仅可以了解各卫星的周跳情况，以及发生周跳时卫星的高度角情况，还可以了解各卫星随时间的跟踪情况。从图5中可知，低卫星高度角时易发生周跳。

图5 北斗卫星周跳图

2.4 多路径计算模块

此模块主要是获得观测文件中各卫星的多路径误差，对于双频观测值，多路径误差可以按如下公式计算[4-7]：

(1)

(2)

从式(1)、式(2)中可以看出，MP是消电离层组合观测值，消除了一阶电离层影响。由于载波相位观测值多路径误差远远小于伪距观测值多路径误差，所以在计算的过程中忽略了载波相位观测值多路径误差的影响，MP1和MP2实际反映了伪距观测值多路径误差与观测噪声的综合影响。在计算过程中，各历元的多路径误差是通过各历元的MP值减去MP均值得到的，MP均值是通过5min内各历元的MP值求平均得到，这样可以消去式(1)、式(2)中的常数项，也就是模糊度项的影响。当有周跳发生时，MP均值要从发生周跳的历元重新开始计算。

获得的多路径信息可以单项文件输出，也可以绘图显示，如图6所示。从图中可知，由于开阔环境观测条件良好，各卫星大部分多路径误差在0.5m以下。

图6 北斗卫星多路径效应图

2.5 载噪比计算模块

此模块获得观测文件中各卫星的载噪比信息。载噪比是指载波信号与噪声的能量密度之比，虽然载噪比不能完全反映出载波相位观测值的质量，但它仍然是反映载波相位观测质量的最佳指标[8]。由于载噪比和信号强度息息相关，当观测文件中没有输出载噪比信息时，以信号强度乘以5来表示载噪比，这种方法中载噪比会有一定的精度损失。

获得的载噪比信息可以单项文件输出，也可以绘图显示。如图7所示，是北斗卫星第一个频率上的载噪比图。从图中可知，各卫星的载噪比基本在30以上。

图7 北斗卫星载噪比图

2.6 电离层延迟计算模块

此模块主要是获得观测文件中各卫星的电离层延迟以及电离层延迟变化率信息。电离层延迟通过双频改正模型计算[1]，这里不再赘述。由于双频改正模型中使用了伪距观测值，精度较低，因此在计算电离层延迟变化率时，不能简单地计算单位时间内电离层延迟的变化值，而是按如下公式计算[4]：

(3)

式中：IOD是电离层延迟变化率，m/s；ti是第i个历元的观测时刻。

在得到IOD之后，可以计算IOD周跳数。计算方法是：首先计算整个时段内所有卫星IOD的STD(Standard Deviation)值，然后以3倍STD值为限，各卫星超限的历元认为发生IOD周跳。IOD周跳包括周跳探测模块中没有探测出的小周跳、粗差以及电离层变化剧烈的部分，因此IOD周跳是一个可以良好反映数据质量的指标。

获得的电离层延迟、电离层延迟变化率信息可以单项文件输出，也可以绘图显示。如图8所示，是北斗卫星的电离层延迟变化率图。图中，两条平行线表示电离层延迟变化率的3倍STD值。从图中可知，只有极个别历元的电离层延迟变化率会大于3倍STD值。

图8 北斗卫星电离层延迟变化率图

2.7 质量分析结果模块

此模块主要是汇总文件的生成。汇总文件包括生成汇总文件的时间、观测文件名、星历文件名、接收机类型、天线类型、接收机近似坐标、首历元时间、末历元时间、时段长度、采样间隔、观测卫星个数、观测卫星编号、缺少星历信息的卫星编号、预计历元数、实测历元数、数据可用率、周跳数/数据量、IOD周跳数/数据量、整个时段内所有卫星多路径误差的STD值、整个时段内所有卫星载噪比的均值。

上文中，预计历元数是指各卫星高度角在截止高度角以上的所有历元总数；实测历元数是指各卫星伪距观测值和载波相位观测值均没有缺失的历元总数；数据可用率是指实测历元数除以预计历元数；数据量是指实测历元数。

汇总文件中还对各卫星的数据质量进行了统计，包括各卫星的实测历元数、各卫星缺失伪距观测值或载波相位观测值的历元总数、各卫星多路径误差的STD值、各卫星载噪比的均值。

汇总文件中还对不同高度角范围内的数据质量进行了统计。例如统计高度角在10°～15°内所有卫星多路径误差的STD值以及载噪比均值，以此来反映高度角对卫星数据质量的影响。

3 软件测试

和空旷环境相比，树林环境和玻璃幕墙环境的观测条件要恶劣很多，所以选取这两种环境的观测数据和空旷环境对比，以此来测试北斗数据质量分析软件的性能。

图9、图10所示，分别是树林环境和玻璃幕墙环境中北斗卫星第一个频率上的多路径效应图。对比图6可以发现，和空旷环境相比，这两种环境中的多路径误差明显增大。在树林环境中，卫星信号穿过树叶较浓密的树林，容易产生信号衍射及反射等情况，造成多路径误差明显变大。在玻璃幕墙环境中，C07卫星在5:30-7:20这段时间内多路径误差显著增大，原因是这段时间内C07卫星高度角很低，并且经过玻璃幕墙正前方，导致玻璃幕墙对C07卫星的信号产生强烈的反射，导致其多路径误差变大。可以看出，北斗数据质量分析软件中的多路径计算模块性能良好。

图9 树林环境中北斗卫星多路径效应图

图10 玻璃幕墙环境中北斗卫星多路径效应图

表1中统计了开阔环境、树林环境、玻璃幕墙环境中北斗卫星数据质量的分析结果，包括整个时段内所有卫星两个频率上多路径误差的STD值和载噪比均值、周跳数/数据量、IOD周跳数/数据量以及数据可用率。从表中可知，和空旷环境相比，树林和玻璃幕墙这两种恶劣观测环境中北斗卫星数据的各项统计指标均有不同程度的变差。可以看出，北斗数据质量分析软件能够真实反映出观测数据的质量情况。

表1 3种观测环境中北斗卫星数据质量的分析结果

4 结束语

随着北斗卫星导航系统的发展，北斗卫星数据在许多领域内得到了广泛的应用，因此对其数据质量的监测变得必不可少，并且北斗用户在使用北斗卫星数据之前，也迫切想了解其数据质量如何。鉴于此，本文分析了观测数据中的多路径误差、周跳、载噪比、数据可用率、电离层延迟等信息，在Visual Studio 2008开发平台下基于C++语言，设计并实现了北斗数据质量分析软件，给出了软件各个模块的功能和具体实现过程，并利用开阔环境、树林环境、玻璃幕墙环境中的观测数据对软件进行测试，结果表明，此软件能够真实反映出北斗卫星数据的质量情况。

[1]李征航，黄劲松. GPS测量与数据处理[M]. 武汉：武汉大学出版社，2005.

[2]GEOFFREY B. An Automatic Editing Algorithm for GPS Data[J]. Geophysical Research Letters, 1990, 17(3): 199- 202.

[3]吴继忠，施闯，方荣新. TurboEdit 单站 GPS 数据周跳探测方法的改进[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2011，36(1)：29-33.

[4]L H ESTEY, C M MEERTENS. TEQC: the multi-purpose toolkit for GPS/GLONASS data[J]. GPS Solution, 1999, 3(1): 42-49.

[5]CAI C, GAO Y, PAN L. An analysis on combined GPS/ COMPASS data quality and its effect on sigle point positioning accuracy under different observing condtions [J]. J. Adv. Space Res., 2013, DOI: 10.1016/j.asr.2013.02.019.

[6]余文坤，戴吾蛟，杨哲. 基于 TEQC 的 GNSS 数据质量分析及预处理软件的设计与实现[J]. 大地测量与地球动力学，2010，30(5)：81-85.

[7]李英冰，熊程波，闫景仙. GNSS质量检查的图形绘制[J]. 测绘工程，2011，20(2)：11-14.

[8]戴吾蛟，丁晓利，朱建军. 基于载噪比及参数先验信息的抗差模型[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2008，33(8)：834-837.

[责任编辑：刘文霞]

Software design and implementation for Beidou data quality analysis

PAN Lin，CAI Chang-sheng

(Dept. of Surveying Engineering and Remote Sensing Science, Central South University, Changsha 410083，China)

With the development of Beidou satellite navigation system, Beidou satellite data have been widely used in many fields. Therefore, it is becoming increasingly important to monitor the data quality of Beidou. Because of this, a Beidou data quality analysis software is provided based on C++ language in Visual Studio 2008 development platform. The software can be used to analyze the multipath effects, cycle-slip, carrier-to-noise density ratio, data availability and ionospheric delay which are contained in the observation data. The test results of this software with the observation data collected under open sky, the trees and nearby a glass wall indicate that the Beidou data quality analysis software can really reflect the quality of Beidou observational data.

Beidou; quality analysis; software design; multipath effects; cycle-slip; carrier-to-noise density ratio; data availability; ionospheric delay

2013-09-05

国家自然科学基金资助项目(41004011)

潘 林(1989-)，男，硕士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)10-0067-05