GNSS多频数据质量分析软件设计与实现

李俊毅,邓启林,李军正

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,郑州 450002;2.61243部队, 乌鲁木齐 830006)

GNSS多频数据质量分析软件设计与实现

李俊毅1,邓启林2,李军正1

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,郑州 450002;2.61243部队, 乌鲁木齐 830006)

摘要：在GNSS导航和定位过程中,GNSS数据质量的好坏直接影响着GNSS的导航定位精度。目前能够比较全面的分析GNSS数据质量的软件以Teqc最为出名,但Teqc是一个控制台程序,操作不便,且对我国北斗导航系统的数据格式不支持,已经不能满足当前GNSS数据质量分析的需求。本文从实际需求出发,设计实现一套多频数据质量分析软件,可以从数据观测噪声、几何精度因子、电离层延迟、对流层延迟、多路径、伪距平滑残差等多个方面对观测数据进行质量分析,能够满足当前对于北斗系统数据质量分析的要求。

关键词：数据质量;电离层延迟;对流层延迟;多路径

0引言

GNSS设备由于在体积、重量、价格、自动化程度等方面具有巨大优势,目前已经广泛应用于交通运输、农林、渔业、灾害监测与预报、工程测量、海洋测绘、气象学等各个行业领域。随着应用的领域拓展,GNSS设备也面临着各种各样的观测条件,而GNSS信号在传播、测量过程会受到多种误差源的影响,为了给用户可靠的导航、定位或授时服务,非常有必要对GNSS数据质量分析、修正以确保用户可以获得满意的服务。目前国外的主流数据质量分析软件主要针对的是GPS、GLONASS的观测数据,对于我国的北斗数据支持不好[1-5]。一些国内厂商开发的软件通用性较差,因此,必要研制一套通用性较强,能够很好兼容北斗数据质量分析的软件。基于这个目的本人设计实现了一套GNSS多频数据质量分析软件。

1数据质量分析的数学模型

1.1多路径效应误差

多路径效应是指GNSS接收机除了直接收到的卫星信号之外,还收到经其他物体反射的卫星信号,两种信号的叠加会使观测结果偏离“真值”,这种现象称之为多路径效应,带来的影响常称为多路径误差[6]。为了分析观测数据质量,或是检测接收机的抑制多路径效应的能力,常常需要提取多路径效应误差。从观测值中提取多路径的方法有多种,效果较好的是小波分析法[7],但是小波分析法的计算方法较为复杂;比较简单的方法是观测值组合法,即通过对观测值进行线性组合,消去其它误差的影响,从而提取出多路径误差,缺点是不能消除观测噪声带来的误差。

假定GNSS数据中,L1,L2载波上的伪距观测量为P1,P2,则两个码的多路径组合观测值MP1和MP2可以写为[8]:

(1)

(2)

1.2电离层延迟及变化率

当电磁波信号穿过电离层时,电磁波信号将受到自由电子和离子的影响,使得信号的路径会产生弯曲,信号的传播速度会发生变化。信号弯曲引起的距离误差很小,通常不考虑;由信号传播速度引起的距离误差,通常以时间延迟表示。电离层的折射影响使载波的相位传播速度变快,使伪距的传播速度变慢。从一阶项之后,其高次项数值迅速递减,如果有双频观测数据,且不考虑高次项的话,则电磁波通过电离层所产生的折射改正与频率的平方成反比。当用双频接收机接收双频信号时,由于信号经过的路径相同,两个频率所经路径的积分值相同。

式中: S为卫星至接收机的真距离; ρ=C×Δt.两式相减得:

(3)

式(3)即为双频电离层改正公式。

在电子总量较大的情况下各个频率和双频组合上的二阶项误差可以达到5cm以上;通常情况下也大于1.7cm[9].因此,对于高精度GNSS定位,对二阶项的改正非常必要。随着卫星导航定位系统的发展,GPS增加了L5频点,BDS本身就三频卫星导航定位系统,GALILEO也是三频。这些条件的具备使可以有足够的数据来消除电离层延迟的二阶项。

(4)

(5)

(6)

式中:I1=∫A1ds,I2=∫A2ds.

式(4)、(5)、(6)两边同乘以各自的频率,两两相减可得

(7)

(8)

式(7)、式(8)两式相比,整理可得电离层无关项

B1δp(f1)+B2δp(f2)+B3δp(f3)=0

(9)

对式(9)进行归一化处理,令 Ci=fi·Bi/(B1+B2+B3),i=1,2,3,式(9)可写为

C1δp(f1)+C2δp(f2)+C3δp(f3)=0.

(10)

上式即三频电离层改正公式,按照式中的系数Ci组合三频观测值即可得到改正后的观测数据,可用于载波和伪距的改正。

1.3数据完整性

数据的完整性指标通常用来反映环境及接收机性能好坏,通常用实际合格观测值数量比上理论上的观测值数量来表示[10]

I=Q/T,

(11)

式中: I为数据完整性指标; Q为合格观测值数目; T为理论观测值数目。合格性要求包括数据完整,即预先设定的观测值类型应当都具备,且观测质量(通常为载噪比SNR)满足要求。

1.4卫星高度角及方位角

卫星高度及方位角的变化可以帮助用户分析单个卫星在观测时段的情况,若某颗星在整个观测时段中都处于较低仰角,则可以考虑剔除该星的数据。

1.5卫星观测时段

卫星可见时段是指测站何时可以观测到指定的卫星,以及可以观测时间长度等。卫星是否可见取决于卫星的高度角,可以根据用户的不同需求指定截止角。图形化的观测时段可以清晰反映某颗卫星的可见时长,观测期间的失锁情况、有没频繁失锁情况出现以及是否有观测时段过短的情况出现。

1.6可见卫星数时序

一个观测周期内能够被测站观测到的卫星数随时间的变化。可见卫星数大于或等于4时才能够进行定位解算。因此,需要可见卫星数的预报,可以根据可见卫星数时序来制定观测计划。

1.7信噪比时序

图形显示观测数据中各卫星信号的强度随时间的变化情况。方便用户分析卫星信号的受外界因素影响的情况,以便查找原因,制定应对措施。

1.8DOP值时序

精度衰减因子(DOP)来表示卫星空间图形的贡献。即使卫星满足定位条件,DOP较大时也可能导到致较大的定位误差。我国的BDS系统有5颗GEO同步卫星,在类似一些城市峡谷的地方,可能会出现仅观测5颗GEO星的情况,此时DOP近似无穷大,定位方程是无解的。因此,有必要对整个观测时候的DOP值变化情况进行分析。

2软件设计

本软件可以分为四个功能模块,包括:数据导入模块、数据处理分析模块、统计分析模块、报表生成模块。每个子模块又可分为若干个子模块,具体情况如图1所示。

图1　软件功能模块

软件的数据录入模块主要负责数据格式的标准化,并对数据的中出现的粗差及错误进行修复,为下面的数据准备好统一格式的数据。软件数据处理分析模块是软件的核心模块,它负责多路径误差的提取、电离层延迟的计算、数据完整性分析、卫星高度角方位角计算等项目。统计分析模块是对数据处理分析模块得到的结果的统计分析,它是对整个观测时段内的数据质量进行整体评价,为用户提供一个客观的数据质量分析评价。报表生成部分主要是将数据分析处理结果及统计分析结果形成图文详实的报告,便于用户数据质量形成一个直观认识。

3算例

为验证软件算法的正确性、兼容性,采用了一组2014年1月27采集于信息工程大学的GPS、GLONASS、BDS三系统数据对软件的计算结果进行了验证。限于篇幅,本文仅对数据质量的中的卫星数目变化时序、可见时段、信噪比、多路径效应四个项目进行了截图,其结果如图2～图5所示。图3为卫星时序图及可见时段图,对观测区间内卫星的变化时序进行了直观描述,方便用户查找、分析数据中的观测数据不足、失锁等问题。图4中分析

在观测过程中,卫星的星空图变化情况及在此过程中卫星信噪比变化情况, 并且分别给出了不同频点的观测数据变化情况。图5则示出了不同频点数据随时间、卫星位置变化对应的多路径变化情况。

图2　观测卫星数目变化时序图

图3　卫星可见时段图

图4　卫星信噪比变化时序图

图5　多路径变化时序图

4结束语

本文对GNSS观测数据质量分析的方法、内容进行研究,并实现能够处理GPS/GLONASS/BDS三系统数据质量分析的软件。软件针对现有主流的数据质量分析软件的不足,成功实现了系统综合处理、可视化显示、数据质量分析报告自动生成等功能的集成。实际验证结果表明,软件图形显示清晰明了,功能齐全,能够完全取代现有GNSS数据分析处理软件。

参考文献

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[3] 杨凯钧,袁鹏,秦昌威. 中国及其周边IGS站数据质量评估[J]. 全球定位系统,2014,39(3):41-43.

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[7] 夏林元. GPS观测值中的多路径效应理论研究及数值结果[D].武汉:武汉大学测绘学院,2001.

[8] 游振东. GNSS接收机内部性能检测方法的研究[D].武汉大学, 2005.

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[10]吴丹,王利,张勤,等.GNSS数据质量评估软件的实现及验证分析[J].测绘科学技术学报,2015,32(4):344-348.

李俊毅(1979-),男,河南通许人,讲师,主要从事卫星导航定位数据处理研究工作。

邓启林(1978-),男,四川郫县人,工程师,主要从事卫星导航定位测量及数据处理工作。

李军正(1973-),男,河南获嘉人,副教授,主要从事卫星导航定位数据处理研究工作。

GNSS Data Quality Analysis Software Design and Realization

LI Junyi1, DENG Qilin2, LI Junzheng1

(1.InstituteofNavigationandAerospaceTarget,UniversityofInformationEngineering,Zhengzhou450002,China; 2.Troops61243,Urumqi830006,China)

Abstract: GNSS navigation and positioning, GNSS data quality will affect GNSS navigation position accuracy in directly. Now, more comprehensive analysis of GNSS data quality software Teqc was the most famous, but Teqc is a console program, inconvenient, and on China's Beidou navigation system data format is not supported, cannot meet the needs of current GNSS data quality analysis. Based on the actual needs, design and implement a multi-frequency data quality analysis software, data from noise, geometric dilution of precision, ionosphere, troposphere delay, multipath, pseudorange smoothing disabled many aspects, such as the analysis of observational data quality, to meet the requirements of current Beidou system data quality analysis.

Keywords:Data quality; ionosphere delay; troposphere delay; multiplepath

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.010

收稿日期：2015-06-10

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2016)02-0055-05

作者简介

联系人： 李俊毅E-mail:Liypetrel@126.com