基于Anubis的北斗观测数据质量分析

丁志鹏 贺凯飞 邱立杰 韦永僧

1 中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院，青岛市长江西路66号，266580

目前针对BDS数据质量检核的研究很多，Cai等[1]基于零基线双差方法分析BDS-2的噪声及多路径效应，结果表明，B1频段的伪距多路径误差最大，均值达到0.36 cm；Yang等[2]介绍了BDS-3系统的基本性能，并提出改进定位、导航及授时业务的方法；Zhu等[3]通过分析BDS-3的新信号B1C及B2a发现，其定位性能与GPS及Galileo相当，但这些研究主要是针对C37以下的星座展开的。为评估BDS-3卫星组网完成后的观测数据质量，本文选取亚太及境外其他地区共5个测站连续10 d的观测数据，使用Anubis软件[4]，从多路径误差、数据完整率及周跳等方面进行分析，并利用可视化脚本对BDS和GPS数据进行多维度对比。

1 数据质量分析

选取5个MGEX连续跟踪站2020年doy210～219的观测数据(为更好地分析北斗的全球定位性能，选择的5个测站中有2个测站在中国境内(URUM，WUH2)，另外3个测站在国外(POTS,SGOC,SUTM ))，利用Anubis软件对数据进行质量检核。具体的测站信息如表1所示，测站数据的采样间隔为30 s。

表1 测站信息

将处理得到的连续10 d的质量检核结果中数据利用率及多路径效应取平均值，得到表2。表中，HavEp与UseEp分别表示理论历元数与有效历元数，MP表示多路径误差，其下标分别对应不同频段，CSR为周跳比。参与计算的GPS平均卫星数为30颗，BDS平均卫星数为29颗，包含13颗BDS-2卫星和16颗BDS-3卫星。

由表2可知，在数据完整率方面，5个测站的观测数据质量均较好，BDS数据的利用率均为100%；GPS方面，除POTS站外，其他站点的数据利用率都在97%以上。2个系统的多路径误差均低于55 cm，GPS中多路径误差最高的为SGOC站，MP2达到32.27 cm；BDS的多路径误差最大值出现在POTS站，MP2达到了52.16 cm。整体来看，BDS系统各个频段的多路径效应都比GPS表现差。在周跳比方面，2个系统除URUM站的数据略高外，其他各站均低于1，符合规范要求。

表2 数据质量分析

2 数据可视化分析

为更好地研究BDS的数据质量，对检核结果进行可视化分析，并着重观察C37以上BDS的数据质量状况。

2.1 星座运行轨迹及可见卫星数

图1为2个系统POTS站2020年doy210的星座运行轨迹示意图，图中横坐标为卫星方位角，纵坐标为高度角。从图中可以看出，随着BDS-3的建成，BDS系统的天空轨迹构型更加完整，卫星导航系统星座已逐渐完善，服务由区域性向全球性转变。与BDS-2卫星相比，其星座构型更加密集和均匀。

图1 星座运行轨迹Fig.1 Constellation trajectory

图2为测站具体的可见卫星数统计，图中横坐标为时间，纵坐标为接收机可跟踪到的卫星数，其中多频用彩色表示，单频用黑色表示。由图2可知，WUH2站BDS全部可见卫星数大多数时段为15颗，最少也达到12颗；而每个测段平均观测到的GPS卫星数仅有8颗左右。即使是国外的POST站，在BDS-3卫星提供在轨服务后，记录到的卫星数最高也可达到14颗，最少有9颗。同一时段所观测到的BDS卫星平均数比GPS多，可以增强其星座的几何结构，提高定位精度。

图2 多/单卫星统计Fig.2 Multiple/single satellite statistics

2.2 数据可用历元及周跳数量

图3为2个系统数据质量检核结果的汇总信息，主要包括数据的完整率、剔除的观测数据及由于卫星失锁造成的周跳数量，图中橙色代表BDS系统，绿色代表GPS系统。从图3(a)可以看出，POTS站2个系统的数据利用率都达到100%；从图3(b)可以看出，BDS系统删除的历元数较GPS多，删除率较高。图3(c)中，GPS和BDS均出现不同程度的卫星失锁及信号扰动现象，反映该地区的观测环境在变差。

图3 观测数据质量统计Fig.3 Observation data quality statistics

2.3 伪距多路径效应以及信噪比

图4和5分别统计了2020年doy 210 POTS和WUH2站BDS所有频段的伪距多路径误差时间序列。从图中可以看出，POTS站各个频段的多路径误差都比WUH2站对应频段的多路径误差波动大；对于同一站点，B1I(MP2)频段伪距多路径误差最大，B3I和B2b(MP6和MP7)的多路径误差较小。考虑到B1I和B3I是过渡信号，能够同时观测到BDS-2和BDS-3卫星，所以处理BDS双频数据时可优先选用这2个频段进行组合计算。

图4 POTS测站伪距多路径误差时间序列Fig.4 Time series diagram of pseudo distance multipath error at POTS station

图5 WUH2测站伪距多路径误差时间序列Fig.5 Time series diagram of pseudo distance multipath errorat WUH2 station

选取GPS的M2X频段和BDS的M2I频段进行多路径效应随观测时段的变化分析，结果如图6所示，图中点越密集，说明该时段的多路径效应越严重。可以看出，2个系统的点位密集程度相当。以BDS(黄色)为例，相比于其他时段，12：00～14：00各波段上的点较稀疏，说明此时多路径效应的影响较小，有利于对观测时段进行把握，以获得质量更高的数据。

图6 多路径效应时间序列Fig.6 Time series of multipath effect

针对C37以上BDS星座研究不充分的问题，选取C40、C44、C59三种不同轨道类型的卫星进行分析。图7为WUH2站2020年doy210卫星各频段多路径误差随高度角变化的情况。可以看出，IGSO和MEO卫星的多路径误差都呈现随高度角下降而发散的情况，MEO卫星还因数据缺失比较严重出现数据中断的情况；GEO卫星的高度角较大且无明显变化，对应的多路径误差较小且变化平缓。对比所有频段的多路径效应发现，在所有类型轨道的卫星中，B1I频段的多路径效应最严重。

图7 WUH2站BDS-3卫星多路径误差Fig.7 Multipath errors of BDS-3 satellites at WUH2 station

信噪比受观测环境及接收机跟踪捕获信号能力的影响，能够反映测距信号的水平。BDS不同轨道卫星各频段的信噪比随高度角的变化情况如图8所示。从图中可以看出，IGSO和MEO卫星随高度角的增大，其信噪比也逐渐变大，在22～60 dB-Hz范围内变化；因GEO卫星的高度角稳定，2个频段的信噪比变化不明显，在46～48 dB-Hz范围内波动，对于 BDS-3的IGSO和MEO卫星，B1I 频段信噪比要低于其他频段，B2b和B2a+B2b频段的信噪比较高。

图8 WUH2站BDS-3卫星信噪比Fig.8 Signal-to-noise ratio of BDS-3 satellites at WUH2 station

2.4 伪距单点定位

图9为偏差气泡图，用来表示各个方位伪距单点定位的精度偏差情况，图形中心为0 m偏差，距离中心越远，半径越大，说明点位偏差越严重。

以国内外2个测站为例进行分析，选取2020年doy 215的POTS和WUH2站数据处理结果。从图9可以看出，对于境外的测站，BDS的点相对于GPS更加分散；而对于亚太地区，BDS与GPS的点位都比较集中，说明点位偏差不大，二者的定位性能相当。

图9 偏差气泡图Fig.9 Deviation bubble chart

3 结 语

本文选取了国内外5个MGEX跟踪站连续10 d的观测数据，利用Anubis软件，从数据完整率、周跳和多路径效应等方面对GPS和BDS的数据质量进行检核，结果表明：

1) 所有测站中，BDS数据利用率为100%，GPS除POTS站为77.35%外，其他测站均大于97%，满足规范要求；BDS的MP比GPS略大，2个系统的MP值均小于55 cm；周跳比除URUM站外，其他4个测站均小于1。

2) 随着BDS-3在全球布网的完成，BDS系统的天空轨迹密集且分布均匀，可见卫星数增多，伪距单点定位精度与GPS相当。

3) BDS-3的GEO卫星高度角较大且无明显变化，对应的多路径误差较小且变化平缓。IGSO和MEO卫星的多路径误差呈现出随高度角减小而发散的情况，而随着高度角的增大，两者的信噪比也逐渐增大；GEO卫星的高度角稳定，其B1I和B3I频段的信噪比变化不明显，都在46～48 dB-Hz范围内。对于所有频段来说，B1I(MP2)的伪距多路径误差最大、信噪比最低。