一种卫星导航信号采集回放仪数据质量分析方法

王萍，黄浩

（广州计量检测技术研究院，广东广州，510000）

0 引言

本文采用目前市面上主流品牌常见型号的接收机进行实验，本次测试通过使用接收机在野外标准点位采集记录和使用卫星导航信号采集回放仪录播两种方式获取卫星导航定位数据，对该接收机在两种方法下获取的卫星导航定位数据下载并转换成通用RENIX 格式，通过仪器品牌自有高精度数据处理软件数据进行GPS 卫星可见性及跟踪序列、信噪比、数据完成率、数据可用率、多路径效应等质量指标参数的测试分析，本次测试所使用的卫星导航信号采集回放仪为湖南矩阵科技有限公司的GNS7622。

数据源如下：

（1）本次测试的数据选取GPS 系统观测数据包括L1、L2 类型观测值，该卫星系统功能完善，市面上的接收机都支持的卫星星座系统，单独对GPS 数据进行分析具有代表性。

（2）数据采集时间：2020 年2 月25 日。

（3）实验接收机型号：南方测绘仪器公司银河6 双频接收机。

（4）数据采集站点：广州计量检测技术研究院GPS 检测场。

（5）高度截止角：15 度；采样间隔15 秒，记录时间：90 分钟。

（6）观测数据格式：RINEX2.3。

（7）数据分析软件选择接收机厂家配套高精度GNSS 数据处理软件：SGO。

1 GPS 卫星可见性及跟踪序列

卫星星历误差是GPS 定位误差的重要来源，某一瞬间的卫星位置，是由卫星星历提供的，卫星星历误差就是卫星位置的确定误差。其大小主要取决于卫星可见数量及空间分布、以及锁定卫星数量。导航卫星可见性是评估全球导航卫星系统服务性能的重要指标，也是评价接收机卫星信号接收性能的重要指标。

从图1、2 以及软件对数据质量分析，得出两种方式下银河6 接收机采集后到的卫星数据卫星可见性如表1 所示。

图1 室内测试银河6 卫星轨迹图及观测序列图

表1 可见性分析

通过查阅NASA 的可见地球项目，对于高度角为15度的观测条件下，实际观测值个数与理论观测值个数高于99%，跟踪情况良好。

2 信噪比

信噪比用来衡量测距信号质量优劣，并间接反映载波相位的测距精度。信噪比异常可作为信号所受干扰大小的量度，信噪比越高，则观测信号的质量越好。目前大部分GNSS 接收机都能准确输出信噪比观测值，这为数据支撑提供了支撑。本文的测试场地为广州计量院GPS 检测场标准点位，观测点位周围无高大建筑物、山峰，无大面积水面，观测环境良好可有效减少观测环境带来的多路径效应影响,现对两种测试方式所测数据信噪比分析如下：

图2 银河6 野外测试卫星轨迹图及观测序列图

从图3、图4 以及软件对数据信噪比分析，得出两种方式下银河6 接收机采集到的卫星数据信噪比随卫星高度角的变化总结如表2 所示。

图3 室内测试银河6 信噪比L1(图左)L2(图右）

图4 野外测试银河6 信噪比L1(图左)L2(图右）

表2 卫星数据信噪比随卫星高度角变化

根据表2 得出，随着卫星高度角的升高，信噪比也呈现出升高趋势；在同一高度角上，L1 波段信噪比要优于L2 波段，两种测试方式L1 波段信噪比观测量都大于35dBHz，说明接收机性能以及周围观测状况均良好；室内与野外测试，信噪比在不同卫星高度角变化率基本一致。

3 数据完整率

卫星观测数据的完整性是进行数据处理及其他服务应用的前提，也是评估GNSS观测数据质量的重要综合性指标。数据完整率不仅受接收机性能、卫星工作性能的影响，还受观测站周围环境的制约。完整率可由式（1）计算：

式中：CompleteRate 为数据完整率；TheoryData 表示观测文件中的实际记录观测数据；RealData 表示在给定采样间隔的观测时段内，特定波段和信号的预期观测数。在指定截止高度角后，在当前测站利用广播星历计算的可见卫星的应收观测值个数为应接收的理论数据；而实际接收数据按接收机的实际个数统计。该指标可以描述接收机在不同高度截止角范围内的信号跟踪情况。本次试验接收机高度角15°的完成率统计结果如表3 所示。

表3 完成率

结果表明，两种测试方法在在15°截止角下的完整率都高达90%以上，基本没有差别，这表明这两个站的接收机能接收到大量来自该高度角的观测数据，观测条件良好，采集录放的室内模式也能具有较高的数据完整性。

4 GPS 数据可用率

观测数据的可用性是任何全球导航系统（GNSS）应用的先决条件，也是衡量卫星星座是否具有全球服务能力的重要指标。可用率定义为：

式中：#SV 表示相应星座至少4 颗卫星可见并具有双频观测数据的观测历元数量，#Totel 表示使用预定义的采样间隔在一段时间内的预期观测历元数。

对于导航用户来说，参数的解算除了位置参数外还需要解算额外的钟差参数，因此单个历元导航信息的解算需要的卫星数必须大于或等于4 颗，也就是说单个历元所含的卫星个数大于等于4 才有用。

表4 数据可用率

统计结果显示，接收机在两种测试方式下，在相同的高度截止角（15°）和采样间隔（15s）观测条件时所采集的GPS 数据各个历元锁定卫星数量都不小于4 颗，数据比较丰满。接收机硬件技术的提高使得锁定卫星的能力越来越强，空间区域卫星覆盖数量也越来越多是数据利用率提高的主要因素。

5 多路径效应

在理想情况下GNSS 接收机只接收来自卫星发射的直接信号，而在现实的观测条件下，除了接收来自卫星直接发射的信号外，还会接收到同一信号经接收机周围物体的反射而产生多个路径的反射回来的信号，实际量测到的GNSS信号将是直接接收到的信号与反射回来的信号的迭加结果，这一现象叫多路径效应。多路径效应是一种重要的误差来源，会导致接收机采集伪距值存在偏差，将严重影响观测数据的精度，多路径效应可由载波相位观测值、伪距相位观测值和整周模糊度来表示。图5、图6 分别为室外检测法和野外检测L1、L2 两个频率上的多路径效应。

图5 15°高度角GPS L1 多路径

图6 15°高度角GPS L2 多路径

图5、6 表明，两种测试方式下L1 波段的多路径效应MP1 均值都小于阈值0.5 米且两种测试方式下相差比较小，G05、G28 号卫星观测数据的MP1 值相差最大为0.5 米；两种测试方式下L2 波段的多路径效应MP2 多路径效应均值都小于阈值0.65 米且两种测试方式下相差比较小，G15号卫星观测数据的MP2 值相差最大为0.15 米；说明接收机周围的观测环境良好，室内测试方法可以满足接收机数据多路径效应影响的要求。

6 总结

由于卫星导航信号采集回放仪是一种射频信号高保真记录和回放设备，可以复现真实场景的卫星导航信号，构建室内的真实信号测试场景，并可以重复多次回放等优点，在卫星导航定位产品的质量检测中应用越来越广泛，所以很有必要对卫星导航信号采集回放仪采集录放数据进行分析和检测，本文给出的采集回放仪的数据质量分析方法可以直观体现采集回放仪数据各个质量指标，能够从一定意义上提高基于采集回放仪进行测试的可靠性和一致性。