GPS 与BDS 系统观测值质量对比分析

2020-07-31邰晓曼

江西测绘 2020年2期

仲臣邰晓曼

（安徽理工大学测绘学院安徽淮南232000）

1 引言

北斗系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施[1]。因此对于两种卫星系统数据质量分析具有重大意义。便于掌握不同因素的变化对其影响，更好的对系统质量分析与控制；便于通过寻求不同方法来改正数据误差或者观测误差，从而提高系统的可用性；便于掌握信号和数据的相关特征以及质量，从而实行过程监控和优化控制[2]；便于帮助人们找到误差源，并排除系统故障，从而提高系统的性能。

2 研究现状

随着BDS 的发展，人们对卫星系统的性能也会提出更高的需求。可以从其服务精度、可用性、连续性以及完好性等其他方面去评估。郑广伟等人分析了2011 年陆态网络工程2000 个点位GPS 观测数据的主要质量元素的数学精度分布规律，根据正态分布的数学模型确定了质量分析中的分级评价指标，并验证了其合理性[3]。卫星仿真是研究导航定位数据处理的重要组成部分，崔立鲁等人通过编程实现了GPS 卫星伪距观测值的仿真模拟，验证了其正确性和可靠性[4]。欧阳晓凤针对导航信号的特性展开对信号质量的分析方法研究，研究并提出了完整的、适应于新体制信号质量评估的指标，设计实现了基于北斗导航系统的在轨信号分析平台[5]。范丽红主要对卫星导航系统观测数据质量评估和系统性能问题进行分析，评估分析了周跳探测与修复、多路径效应、广播星历精度[6]。

TEQC 软件是目前最为常用的数据质量分析软件。袁伟等人针对TEQC 软件在GPS 观测数据质量检核中的应用，用相关辅助软件对质量检核的成果实现可视化，经过实例证明这种方法在工作中对提高成果的质量有一定效果。因TEQC 只能检核Rinex2.xx 版的GPS 数据的特点，所以吴春节等人编制了多模数据质量评估软件QC，实例验证它的有效性，并在此基础上分析了BDS 与GPS 的伪距多路径效应和信噪比。金蕾等人完成了对质量分析软件DataQC 的开发，其主要参数包括数据完整率、多路径指数、信噪比和周跳[7]等，并增加了卫星分布状况以及电离层、接收机硬件延迟偏差估计功能。吴丹主要针对GNSS 数据预处理以及质量分析方法展开了相应的分析，深入研究BDS 频、双频和三频观测数据周跳探测与修复的方法和数据质量分析的原理，在此基础上实现了兼容多种版本可同时进行多（BDS/GPS/GLONASS/Galileo）数据质量分析的软件。虽然目前国内外研发出的例如用TEQC、BNC 等软件提出了一些质量评价指标，但是目前理论上还是缺少一个全面统一的评估方法[8]。

3 观测数据质量分析

本文选取了五个均匀分布的IGS 站点，主要从卫星可视性、多路径效应、高度角、信噪比、PDOP 值讨论了它们的数据质量，通过两个系统的对比得出结果。

表1 测站标志的近似位置

利用Rtkplot.exe 软件查看根据年积日的时间推算出具体的年月日而下载的连续三天的观测数据以及星历数据。

3.1 可视卫星的变化情况

Sat Vis(Satellites Visidle)图表示卫星的可视性，能够显示卫星系统可以看见的卫星颗数以及每颗卫星的具体观测时间。通过Sat Vis 图可以了解GPS 和BDS 可视卫星的变化情况。

以站点名称为CUTO 的IGS 站为例，选取2016年6 月16 日的观测文件及星历文件来观察它的Sat Vis 图。

图1 CUTO 的Sat Vis 图

从图1 可以看出，BDS 的观测时长显然大于GPS 的观测时长。对于BDS 来说，GEO 卫星的观测时长近似一整天，IGSO 卫星的观测时长平均为21个小时大于MEO 卫星平均12 个小时的观测时长。因此可得以下结论：BDS 的可见性比GPS 好。同时由于GPS 中只有MEO 一种轨道的卫星，而BDS 中有三种不同轨道类型的卫星，它们分别是GEO、IGSO、MEO 卫星。

3.2 DOP 精度因子

DOP（Dilution of precision）代表精度因子，它描述了卫星定位的精度大小。GDOP 是一种几何精度因子，它代表GPS 测距误差造成的接收机与空间卫星间的距离矢量放大因子。GDOP 的数值越大，所代表的单位矢量形体体积越小，此时的GDOP 会导致定位精度变差。PDOP 是一种三维精度因子，即从经纬度以及高程上来表示天空中卫星分布程度的状况[9]。HDOP 代表水平分量精度因子，即经纬度；VDOP 代表垂直分量因子，即高程。

以GPS 卫星为例：一般GPS 接收机可以同时接收多颗卫星的观测数据，但是在精密定位中，只要有四颗卫星就够了。多颗卫星观测数据有时反而会干扰定位的精度，因此小于等于4 的PDOP 值会产生最佳位置；5 到7 之间的PDOP 值可以接受；大于等于7 的PDOP 值较差。

以年积日168 这一天的CUTO 站的GPS 和BDS 卫星为例，下图2 和图3 是它们的DOP/NSat图。

图2 L1C-GPS 的DOP/NSat 图

图3 L1I-BDS 的DOP/NSat 图

图中绿色代表可视卫星的数量；黄色代表GDOP 值；粉红色代表PDOP 值；大红色代表VDOP值；蓝色代表HDOP；截止高度角设置为20°。通过观察它们的PDOP、GDOP、HDOP、VDOP 的平均值数据可以列出下表2。

表2 两个卫星系统关于DOP 平均值的对比

对GDOP 平均值来说，GPS 要略大于BDS，所以它构成的单位矢量形体体积越小，其定位精度越差，即GPS 的定位精度略大于BDS 的定位精度。仔细观察PDOP 值发现，GPS 在某些时段的PDOP 值大于等于7，但是BDS 的PDOP 值都在7 以内，因此BDS的定位精度略高于GPS，其数据质量略高于GPS。综上所述，在CUTO 站点上BDS 的定位精度更高，数据质量更好。

3.3 信噪比

信噪比是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例，英文名称为SNR 或者S/N（Signal-Noise Ratio）。它会影响载波信号观测质量，与信号强度有很强的关系，即SNR 值越大，其信号强度越高，信号质量越好[10]。高度角通常是指太阳高度角，即从一点至观测目标的方向线与水平面之间的夹角。以CUTO 站点上G15 号卫星来说，勾选L1C 频段，分析图4 和5 可知：在12∶00 到16∶00 时信噪比值达到45dbHz，在14∶00 时信号强度最大，此时观测数据质量最好。随着高度角由0°到60°的增加，信噪比也从30dbHz 增大到55dbHz，信号逐渐增强；当增加到25°的时候，信噪比值达到45dbHz。所以，对于G15号卫星来说，应该选取25°以上的高度角，选取14∶00时的观测数据，其数据质量才能得到保证。

通过观察此站点连续三天的数据，以及同一天其他站点的GPS 卫星，可以得到相似的结论，即随着高度角的逐渐增大，GPS 卫星的信噪比值逐渐增大，其信号质量越好，从而数据质量也是越来越好。

图4 L1C-G15 一天中的信噪比

图5 L1C-G15 随高度角变化的信噪比

对于BDS 来说，因为BDS 系统中的GEO 卫星始终在同一地点，高度角变化很小，所以信噪比值比较稳定。通过分析此站点连续三天的数据和同一天其他站点的数据，可以得到同样的结论，即BDS 卫星系统中的GEO 卫星的高度角变化很小，其信噪比较稳定。

IGSO 卫星中以C08 为例，勾选频段为L1I，如图6、图7。通过分析此站点连续三天的数据和同一天其他站点的数据，可以得到同样的结论，即BDS 卫星系统中的IGSO 卫星的高度角变化相对于GEO 卫星大，其信噪比值也是随着高度角的增大而增大。

图6 L1I-C08 在一天中的信噪比

图7 L1I-C08 随高度角变化的信噪比

3.4 多路径

多种信号叠加，从而产生了多路径效应，降低伪距及相位观测值的精度[7]。现以CUTO 站点年积日为168 这一天的数据为例，选择L1I 频段，以C12 为例如图8，MP 值在零到正负二之间波动，其RMS 为0.6428m 左右。对于BDS 的MEO 卫星，由于它的高度角变化较小，多路径效应同信噪比一样其变化不大，趋于稳定。通过分析此站点连续三天的数据和同一天其他站点的数据，得到相同结论，即：BDS 卫星系统中的MEO 卫星的MP 值基本稳定，受多路径效应影响较小。

图8 L1I-C12 一天MP 值变化

对于GPS 来说，以G20 卫星为例，选择L1C 频段，通过观察图9 和图10 可得：它的MP 值大都在零到正负二之间波动，其RMS 值为0.6923m。随着高度角的增大，它的波动逐渐减小，当高度角增大到35°以后时，它的波动趋于稳定。通过观察同一天其他站点的数据以及此站点连续三天的数据，得到相同结论即：L1C 频段上的GPS 卫星随着高度角的增大其MP 值逐渐减小趋于稳定，受多路径效应影响逐渐较小。