极区北斗卫星数据质量特征分析

左 宗，陈明剑，李 滢，姚 翔(信息工程大学，河南 郑州 450001)

极地石油、矿产等自然资源种类繁多且储量丰富，很多地区尚未被开发，是人类珍贵的能源基地。为了更好地进行极地科考，争取极地利益，我国需要自主可靠的极地导航定位服务[1]。北斗卫星导航系统(BDS)正按照“三步走”发展战略快速推进，为我国的极区自主卫星导航定位创造了平台。卫星定位过程中，观测数据会受到各种不确定环境因素及系统因素等的影响，产生质量上的差异。数据质量好坏将直接影响导航定位解算结果[2]。复杂的极地电磁环境和测站的高纬度分布，会对卫星的几何构型、信噪比和多路径效应等造成一定影响[3]，电离层闪烁引起的电离层结构变化也会改变GNSS在极地的定位性能[4]。为进一步评估极地环境对GNSS数据质量的影响，本文以信噪比、多路径效应和电离层延迟变化率等作为数据质量评价指标，对极地测站的GNSS实测数据进行质量分析。研究结论对于认识极地GNSS定位性能，提高极地GNSS测量的可靠性和稳定性具有重要意义。

1 评估内容和方法

1.1 信噪比

信噪比(SNR)指接收的载波信号强度与噪声强度的比值。接收机载噪比通常可表示为C/N，即以1 Hz带宽为参考的信噪比S/N。卫星导航信号为弱信号，当GPS C/A码输入功率为额定度功率-130 dBm时，接收机载噪比约为44 dB/Hz[5]。输入功率小于额定度功率或卫星信号受到遮挡，信噪比值会相应降低，不利于信号检测。信噪比可用于比较不同信道和卫星间的信号强度，评估环境干扰的影响。相对中低纬度测站，极地观测的GNSS信号受人为电磁活动的干扰理应更少。

1.2 多路径效应

接收机接收到的卫星信号中包含有经地物或建筑等表面反射到达接收机天线的间接信号。间接信号的路径不一，使得观测数据含有测距误差。载波相位的波长较短且一般不超过其波长的1/4，量级上远小于伪距多路径，而高反射场景下的伪距多路径效应可达到数米，故常常可忽略载波相位多路径效应，利用载波相位和伪距组合观测值求解伪距多路径误差[6]。f1、f2两个不同频点的多路径误差MP1和MP2可表示为

(1)

(2)

式中，P为伪距观测值；φ为载波相位观测值；ε为伪距观测噪声；λ为载波波长；N为整周模糊度。

1.3 电离层延迟变化率与电离层闪烁

电离层延迟变化率反映了电离层延迟和电子含量变化的剧烈程度，是认识电离层活动的重要窗口。电离层延迟是位置解算中不可忽略的误差项，需通过建模或差分方法消除。电离层延迟变化率不仅影响周跳探测的准确程度，还影响用户电离层改正信息的正确性和时效性，可作为周跳的判别条件[7]。

利用双频载波相位观测量，电离层延迟可表示为

(3)

电离层延迟对应历元间作差可得到电离层延迟变化率，电离层延迟变化率在数据预处理中应用广泛，是较为常见的数据质量评价指标。极地地区电离层闪烁现象较频繁，会对卫星导航定位服务和运控等造成影响，导致信号捕捉跟踪困难、数据误码或丢失等[8]。电离层延迟变化率在一定程度上反映了电离层活动对导航定位可能造成的影响，是极地GNSS数据质量评价体系中重要的指标之一。

2 试验结果分析

2.1 数据采集

试验对象选用了IGS高纬度测站(cas1、ohi3和reyk)和南极中山站2015年4月5日至10日连续采集的多频多系统GNSS数据。观测数据至少包括了北斗B1/B2和GPS L1//L2，采样间隔为30 s。IGS测站数据均出自MGEX(multi-GNSS experiment)，采用LEIAR25天线。中山站卫星数据采集使用的接收机型号为GMR-4011，天线为LEIAR25。IGS测站在高纬度的分布少且只有少部分能采集并提供北斗数据。为更准确地体现高纬度的数据质量特征，加入中低纬度IGS站(cut0)的观测数据作为对比，图1为测站分布。

图1 试验数据来源测站分布

2.2 极地BDS信噪比特征分析

选取高纬度IGS站、中山站和cut0站2015年4月5日至10日的GNSS观测数据，分析极地BDS不同轨道卫星的信噪比特征及其随时间的变化规律。以中山站4月5日的GNSS卫星信噪比结果为例，cut0测站结果作为对比。图2为中山站GNSS卫星B1/L1频点信噪比和B2/L2频点信噪比的变化序列，图3为cut0站GNSS卫星B1/L1频点信噪比和B2/L2频点信噪比的变化序列。表1为IGS测站不同年积日的BDS卫星信噪比误差统计结果。

图2 中山站GNSS卫星不同频点信噪比序列

图3 cut0站GNSS卫星不同频点信噪比序列

表1 IGS测站不同年积日BDS信噪比统计 dB/Hz

极地卫星信号衰减更加严重，低纬测站卫星信噪比在不同高度角条件的信噪比差异更明显。从图2、图3和表1可以得到，极地测站BDS信噪比整体峰值相对低纬测站更小，对比cut0站卫星信号信噪比结果，中山站卫星信噪比峰值仅为50.5 dB/Hz。一般情况下，当卫星高度角较大，信噪比可达50～55 dB/Hz。中山站卫星信号信噪比分布相对低纬测站更集中，L1频点的信噪比大多分布在34～50 dB/Hz，L2频点的信噪比大多分布在17～43 dB/Hz，L2频点信噪比明显低于L1频点和B2频点信噪比。极地测站观测到的非静止轨道卫星信号信噪比随时间变化更稳定，地球静止轨道卫星信噪比序列存在较大波动，可能与极地测站的低卫星高度角和较少的人为电磁环境干扰有关。

2.3 极地BDS多路径特征分析

选取高纬度IGS站、中山站和cut0站2015年4月5日至10日的GNSS观测数据，分析在极地BDS不同轨道卫星观测数据的多路径误差特征及其随时间的变化规律。根据中山站GNSS数据质量分析结果，图4—图6为中山站和cut0站BDS中GEO、IGSO和MEO卫星多路径和高度角随时间的变化，表2为测站不同年积日的BDS多路径误差统计结果。

表2 测站不同年积日BDS多路径误差统计 dB/Hz

极地GNSS多路径效应受高度角影响较大，北斗多路径效应可能更加严重。从图4—图6可以看出，极地测站多路径效应随卫星高度角的变化呈现出规律性变化趋势，与低纬度测站的卫星多路径效应基本一致，但也呈现出明显差异。GEO卫星的多路径误差的伪距多路径误差峰值大，且多路径序列很不稳定。相对于低纬度测站，卫星高度角逐渐增大至20°时，IGSO和MEO卫星多路径误差序列变化趋于稳定。从表2可以看出，并非所有高纬度测站的多路径效应都大，但可能出现非常严重的多路径效应。极地中山站和cas1站的BDS多路径效应尤为明显，甚至造成数米的伪距测量误差，需要在数据预处理中予以剔除。

图4 C02卫星多路径和高度角随历元变化趋势图

图5 C06卫星多路径和高度角随历元变化

图6 C12卫星多路径和高度角随历元变化

2.4 极地BDS电离层延迟变化率特征分析

为分析极地BDS不同轨道卫星电离层延迟变化率的特征及其在空间上的变化规律，选取中山站2015年4月5日至10日的北斗卫星观测数据进行分析。图7表示中山站可观测北斗卫星电离层延迟变化率的相对变化，按坐标轴方向依次错开排列，卫星截止高度角为10°。表3统计了2015年4月5日中山站所有可观测卫星的最大卫星高度角。将各年积日分为8个时段(每个时段3 h)，表4统计了中山站2015年4月5日至10日各时段的所有北斗卫星电离层延迟变化率最大值和标准差。

图7 BDS卫星电离层延迟变化率相对变化

表3 中山站北斗卫星最大高度角统计 (°)

表4 中山站各时段的BDS电离层延迟变化率统计 m/min

极地测站不同轨道类型卫星间的电离层延迟变化率的变化趋势不一致，一天内各时段的电离层活动剧烈程度不一，影响北斗卫星导航系统在极区的电离层延迟改正模型建立。从表3和图7可以看出，极地测站的观测数据受电离层活动影响较大，电离层延迟变化率序列波动明显，其中IGSO卫星电离层延迟变化更剧烈；极地地区的GEO卫星利用率较低，中山站C01和C03卫星高度角低于10°。从表4可以看出，电离层延迟变化率在时间上的分布不具备规律性，各个时段均有可能出现较大的电离层延迟变化。在第4时段(9～12时)统计的电离层延迟变化率最大值和标准差最小，电离层发生剧烈活动的概率相对小。在第1时段(0～3时)和第7时段(18～21时)的电离层延迟变化率统计结果最大，该时段很有可能发生电离层闪烁等现象。利用电离层活动中BDS不同轨道卫星电离层延迟变化率的不同性能，可进一步评估极地电离层活动对GNSS数据质量和卫星大地测量的影响。

3 结 语

本文对2015年4月极地可用的北斗卫星观测数据(包括南极中山站自主采集的卫星观测数据)进行了质量分析，整体刻画了极地BDS数据质量特征。针对极地电离层闪烁特性，提出了将电离层延迟变化率应用于电离层闪烁的判定。研究发现：极区卫星观测数据质量主要受高度角影响，信噪比水平整体偏低，静止轨道卫星的信号更易受干扰；在极圈内的cas1站和中山站，多路径效应非常严重，特别是对于北斗卫星导航系统，造成了较大的伪距测量误差；极地卫星导航定位性能受电离层活动影响较大，电离层延迟变化率时间上的统计特性可反映不同时段的电离层活动剧烈程度。

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