超高层复杂环境下BDS/GPS数据质量评估

2021-04-28晏南

现代测绘 2021年1期

晏南

(山西省地质测绘院，山西运城 044000)

0 引言

北斗卫星导航系统作为我国重要的基础设施，2012年建设完成的北斗二号已经在我国各个领域发挥着重要作用，并且表现出北斗独特的优势[1-2]。根据我国基本国情，北斗系统建设分三步走战略，第一步于2000年建设完成北斗一号即双星定位系统，向我国提供导航与定位服务，第二步于2012年建设完成北斗二号即区域定位系统，向亚太地区提供导航与定位服务，第三步于2020年完成北斗三号建设即全球定位系统，向全球提供导航与定位服务，目前已经建设完成的北斗二号被广泛应用于建筑物的变形监测中[3-5]。在对北斗监测数据处理之前，需要对北斗数据质量进行分析，因为北斗定位的可靠性与可行性很大程度上取决于北斗的数据质量，同时由于北斗与GPS相比具有混合星座、工作卫星播发三频信号以及播发短报文的特点，北斗数据质量将与GPS呈现出差异性[6-7]。目前国内部分专家学者针对北斗数据质量进行了分析，陈明等[8]基于国家基准站分析了北斗数据质量，发现北斗的多路径效应大于GPS的，信噪比整体状况相比GPS较差；刘青锋等[9]分析了北斗二代双频数据，发现北斗卫星多路径逐渐增大，表现出B1大于B2，而在信噪比方面，则表现出B2大于B1；左宗等[10]分析了极地环境下的北斗数据质量，发现极地地区的北斗数据质量受高度角影响较大，多路径效应明显，信噪比低于低纬度地区，且受电离层影响大；吴春节等[11]对比分析了BDS/GPS数据质量，发现北斗的B1频率的多路径大于B2频率，且MEO大于IGSO大于GEO，北斗的信噪比与GPS的信噪比与多路径呈负相关。

针对北斗数据质量，本文基于超高层变形监测实测数据，从卫星可见数、PDOP值、信噪比以及多路径几个方面对比分析了BDS/GPS数据质量。

1 数据质量评估指标

北斗数据质量的好坏很大程度上会影响北斗的定位精度，因此在进行北斗数据处理之前对北斗数据质量进行分析是必不可少的。常规的北斗数据质量评估指标有卫星可见数、DOP值、数据完整率、信噪比、多路径等。本文选取其中的卫星可见数、PDOP值、信噪比以及多路径4个指标对BDS/GPS数据质量进行分析。

1.1 卫星可见数与PDOP值

卫星可见数是指观测时段内接收机天线可以接收到多少颗卫星发射的信号，所接收到的卫星数越多，定位精度越高。PDOP值是指位置精度衰减因子，是表示卫星空间位置分布状况的指标，卫星空间几何分布越好，PDOP值越小，定位精度越高。

1.2 信噪比

信噪比是载波信号强度与观测噪声的比值，是反映载波观测信号强度的指标，也是评估数据质量的重要指标之一。信噪比主要受到天线增益参数、接收机中相关器的状态等影响，它可以直接从观测值文件中获取。

1.3 多路径

多路径效应是指接收机天线在接收到卫星直接发射信号的同时还会接收到经过传播路径上地物反射的信号，多种信号叠加而产生的延迟。特别是在进行建筑物变形监测时，监测点通常布设位置周围地物较多，更容易受到多路径效应的影响，严重影响了测量的精度。本文采用无几何无电离层方法计算多路径，公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，MP表示多路径；P伪距观测值；L表示载波观测值；m表示载波多路径效应；n表示整周模糊度；λ表示波长；f表示频率；序号表示频率号。

2 数据质量评估

本文采用的数据为超高层变形监测实测数据，接收机采用华测1758类型接收机，可以接收到北斗双频信号，采样率设置为1 s，为了减小多路径效应的影响，高度角设置为15°。考虑到数据质量是定位的先决条件，对超高层环境下的BDS/GPS数据质量进行评估。限于篇幅原因，选取不同的类型的卫星进行数据质量分析，北斗GEO卫星选取C01，IGSO卫星选取C08，MEO卫星选取C14，GPS选取G06。

2.1 卫星可见数与PDOP值

如图1所示，在进行超高层变形监测时，BDS与GPS卫星可见数基本一致，只是在整个监测过程中，BDS卫星可见数比较稳定，GPS卫星可见数变化较大。如图2所示，在超高层环境下，BDS的PDOP值要大于GPS，证明监测过程中BDS的卫星空间分布状况相比GPS要差。

图1 卫星可见数

图2 PDOP值

2.2 信噪比

如图3-图5和表1所示，GEO卫星属于静止轨道卫星，因此其高度角和信噪比变化很小，MEO和IGSO卫星的B1频率和B2频率的信噪比基本一致，二者B1频率的信噪比比GPS卫星L1频率的信噪比大1 dB-Hz左右，B2频率的信噪比比L2频率的信噪比大3 dB-Hz左右，证明BDS整体的信号强度要大于GPS的信号强度。

图3 BDS卫星B1频率信噪比

图4 BDS卫星B2频率信噪比

图5 GPS卫星G06信噪比

表1 平均信噪比统计/dB-Hz

2.3 多路径

如图6-图8所示，GEO由于是静止轨道卫星，因此多路径随高度角的变化较小，且相比于其他卫星多路径效应较小。其他卫星的多路径随着高度角的增大而减小，在高度角30°之前，BDS卫星B1和B2频率、GPS卫星L1和L2频率的多路径效应达到了2 m，之后逐渐减小，稳定在1 m左右，同时发现在BDS卫星的B1和B2频率中存在系统偏差，尤其是在MEO卫星中这种偏差最为明显，但是在GPS卫星的L1和L2两个频率中没有观测到这种偏差，这对伪距定位有着重要意义。