多系统GNSS观测数据质量检测与分析

郭亮亮，李建文，刘瑞宁

（1.信息工程大学，河南 郑州 450001；2.北斗导航应用技术河南省协同创新中心，河南 郑州 450001）

随着卫星导航系统的飞速发展，全球卫星导航格局从单一GPS发展为多GNSS并存，从仅提供军用服务发展为军民共用，已成为国家重要的空间信息基础设施。全球GNSS系统的蓬勃发展，在测量、军事、交通运输和大气研究等诸多科研和生产领域得到了广泛应用，与计算机技术、互联网技术一样正在深刻影响着人类的日常生活。在GNSS应用端，观测数据源是后期处理的基础，为保障系统应用的可靠性和稳定性，必须先对数据进行科学准确的质量分析[1-3]。UNAVCO Facility开发研制了简单易用且功能强大的TEQC软件，可用于检查双频GNSS接收机动态和静态数据质量。长期以来TEQC一直不支持对北斗观测数据的质量分析，但随着其软件的不断升级，只要对北斗观测数据格式稍加转换扩展即可进行相应系统的质量分析。本文基于TEQC软件，对iGMAS和MGEX部分观测站四系统连续观测数据进行了质量检测和分析，并比较了各类接收机系统间观测数据质量的差异，为后续数据处理过程中对数据的采用提供依据。

1 分析指标及其原理

GNSS观测数据质量评估主要是利用双频伪距观测值和载波相位观测值的线性组合进行计算分析，统计指标主要包括数据完整率、信噪比、伪距多路径、周跳比和电离层延迟等。

1.1 数据完整率

数据完整率不仅能体现接收机接收数据的能力，而且能反映观测环境的好坏[4]。它是指一定数据采样率条件下，在规定的测量时段内，实际观测数据的历元总数占理论观测历元总数的百分比，计算公式为：式中，A为实际观测数据的历元总数；T为理论观测历元总数。

1.2 信噪比

在调制信号传输过程中，信噪比一般是指信道输出端（即接收机输入端）的载波信号平均功率与信道中噪声平均功率的比值[5-6]。该指标能衡量GNSS接收机接收信号的能力，并反映其信号跟踪捕获的性能，是评估载波相位观测量的重要指标之一。在对信噪比的研究中，主要是提取GNSS观测数据中的信噪比基本观测量进行分析。

1.3 伪距多路径

多路径效应使卫星信号到接收机天线的时间产生了一个附加时延量，众多学者研究普遍认为伪距多路径误差要比载波相位多路径误差大得多，约为其200倍，而研究发现各系统的载波相位多路径不大于载波相位测量的1/4波长，故在此只重点分析伪距多路径[7-9]。TEQC的伪距多路径计算必须依赖于双频观测数据，对伪距观测方程和载波相位观测方程进行组合，消除对流层延迟和电离层延迟，忽略载波相位多路径大小，从而计算获得伪距多路径信息。其计算公式为：

式中，fi、fj为频点i、j对应的频率值，fi与fj不能相接近；MPi、MPj为频点i、j对应的伪距多路径误差值；pi、pj为频点 i、j对应的伪距观测值 ；Φi、Φj为频点 i、j对应的载波相位观测值。

1.4 周跳比

载波相位观测值中的整周计数暂时中断出现系统偏差，而不足一整周的部分仍然保持正确的现象，称为周跳[10]。在一定观测时间内，正常情况下载波相位观测值应是随时间序列的一条线性直线，由于存在周跳，出现多条不同斜率的直线，直线越多说明出现周跳的比例越大。周跳比是指在一定观测时间内，载波相位观测量总数与观测量发生周跳次数的比值。该指标在一定程度上反映了载波相位观测值的跳变情况，跳变越厉害，载波相位观测值质量越差，表示为o/slps。

1.5 电离层延迟

电离层延迟是关键的导航定位测量误差因素，接收机用户广泛采用Klobuchar模型进行电离层改正。但是，该方法要求电离层延迟在一定时间范围内变化不大，即电离层延迟变化率在一定阈值内，一般要求低于400 cm/min[11]。结合式（2），在无周跳的时间段内，忽略对流层误差和载波相位多路径误差等影响，电离层延迟及其变化率的表达式为：

式中，Ii、Ij为接收机观测到卫星在第i、j频率上包含了电离层延迟、多路径和整周模糊度信息的计算量；IODi为频点i对应的电离层延迟变化率。

2 实测数据计算与分析

2.1 数据来源

为了评估四系统的观测数据质量，本文选取了2016-06-28～2016-07-08（年积日 180～190）iGMAS 和MGEX跟踪站共11 d采样间隔为30 s的观测数据。表 1为本文选取测站的列表及其设备类型说明[2]。

表1 iGMAS和MGEX跟踪站数据

2.2 单站数据质量分析

首先利用数据分析软件TEQC对34个跟踪站24 h观测数据进行处理，再分别对iGMAS和MGEX跟踪站不同接收机设备采集的各系统观测数据进行指标分析。观测数据的完整率反映了数据接收状况和观测环境的优劣。图1、2分别为iGMAS和MGEX跟踪站各系统11 d数据完整率的平均值。可以看出，iGMAS各站采集的北斗观测数据完整率优于其他系统，除部分站外其数据采集完整率与MGEX设备相当，但其他站数据完整率整体偏低，国内GNSS高精度接收机在数据捕获方面还需进一步改进。

图1 iGMAS各站数据完整率平均值

图2 MGEX各站数据完整率平均值

软件处理后，统计发生周跳的历元，图3、4给出了2016年180～190 d各跟踪站观测数据周跳比的平均情况。从结果来看，WUH1站各系统观测数据历元发生周跳较多，观测数据质量较差，其他各iGMAS站观测数据较好。结合MGEX站分析，BDS和GPS系统的观测数据周跳比均优于其他两个系统，BDS系统的观测数据服务性能基本与GPS系统相当。

信噪比反映了卫星信号的质量，图5为跟踪站所采集各频点观测数据信噪比的平均值。可以看出，除DJIG站和少数频点数据外，其余频点信噪比的平均值均能达到40 dBHz以上，且介于35～55dBHz波动范围，满足信噪比的一般指标要求。

图3 iGMAS各站周跳比平均值

多路径效应的出现，导致接收机采集伪距存在系统偏差，定位结果不准。图6为跟踪站所采集各频点观测数据多路径误差的平均情况。可以看出，MGEX站观测数据伪距多路径误差整体低于iGMAS站观测数据，不着重强调环境造成的影响，说明Trimble接收机数据采集性能优于JAVAD接收机和国内接收机。但是，从系统角度分析，同一跟踪站BDS系统的观测数据质量与GPS系统的质量相当，在iGMAS站中BDS甚至优于其他系统。

图4 MGEX各站周跳比平均值

图5 各跟踪站信噪比平均值

图6 各跟踪站多路径误差平均值

当电离层变化率大于400 cm/min时，则判定电离层延迟发生跳变，跳变次数越多，说明观测数据质量越差。通过分析各站11 d的电离层延迟平均跳变情况可知，MGEX站观测数据的跳变情况优于iGMAS站。iGMAS站中ZHON站和WUH1站的跳变情况最为剧烈，说明其观测数据质量也较差，定位结果不好。

3 结 语

本文对iGMAS和MGEX站多系统多频点观测数据进行了详细分析，实现了对四系统观测数据质量的检核，重点根据数据完整率、信噪比、伪距多路径、周跳比和电离层延迟5项数据质量评估指标对不同类型GNSS采集设备进行了对比分析，得出以下结论：

1） iGMAS跟踪站性能整体与MGEX GNSS采集设备相当，但在长期运行的情况下，设备稳定性略逊于国外数据中心，观测数据质量降低。国内GNSS高精度采集设备性能还存在提升的空间。

2） 对比iGMAS跟踪站的数据质量分析结果可知，SHA1和KUN1站的数据质量较优，ZHON站的数据质量较差，在以后的数据分析和研究中，可基于该结果有针对性地筛选站数据。

3） 从国内外34个跟踪站采集的观测数据来看，BDS系统的观测数据质量基本与GPS系统相当，甚至某些方面优于GLONASS系统，iGMAS跟踪站的BDS数据质量优于其他系统。但从多路径效应单项指标分析，BDS多路径误差比其他系统大，在后期定位处理中对BDS多路径误差的消除还需设计单独的模型加以改正。

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