iGMAS 多品牌监测接收机数据质量分析

滕月昊，贾小林，雷盼荣，周平，曹创

(1.长安大学,西安 710064；2.西安测绘研究所,西安 710054)

0 引言

我国主导建设的全球连续监测评估系统(iGMAS)通过在全球布设跟踪站，实现对北斗卫星导航系统(BDS)/GPS/GLONASS/Galileo 四大卫星导航系统运行状况与服务性能的监测评估[1-2].其中，iGMAS 接收机作为跟踪站的组成部分，对iGMAS 系统的性能的实现有重要影响[1].

2020 年7 月31 日，我国北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)正式开通，这表明我国BDS 迈出了一大步，意味着全球卫星导航系统(GNSS)的定位精度、可靠性等方面将更上一层楼[3].实现iGMAS 高精度监测评估，监测站接收机性能及观测数据质量尤为重要.

iGMAS 自2019 年开始对监测接收机升级，以便实现对新的卫星信号数据采集.本文基于iGMAS 监测站接收机比测试验数据，从数据完整率、多路径、周跳比、观测噪声及零基线相对定位等方面分析国内外监测接收机数据质量，对iGMAS 各品牌接收机性能进行了综合评估，全面确认了监测站接收机性能，为监测站稳定运行和对外服务提供基本依据.

1 数据及软件准备

2019 年3 月，iGMAS 开展了多个品牌GNSS 监测站接收机比测试验.此次试验，共有6 个国产品牌和2 个国外品牌接收机，每个品牌均有2 台型号相同的接收机，品牌型号完全相同的2 台接收机通过功率分配器连接到同一天线，可形成零基线观测.为方便对接收机进行统一编号，其中国产接收机品牌编号为品牌1～6，国外接收机品牌编号为品牌7 和品牌8.本文选择2019 年3 月10 日至12 日年积日070—072接收机同步比测观测数据及生成的相应导航文件和其他产品进行处理，对参与比测的多台接收机实测零基线数据进行数据质量分析，评估接收机性能.

RTKLIB 是日本东京海洋大学开发的一个开放源程序包，可以实现定位、数据分析及数据开发等功能[4].本文所使用的数据处理软件是在RTKLIB基础上进行开源代码的编译，实现GNSS 观测数据的质量分析功能，并结合基于MATLAB 自编译的数据处理软件进行多路径分析、周跳探测、完整率统计、噪声分析及实现处理结果的可视化.

2 基本原理与模型

2.1 基本数据质量指标

GNSS 接收机接收观测数据时，由于受到外界环境及接收机自身性能的限制，观测数据的质量会受到相应的影响，进而影响定位精度.GNSS 观测数据质量指标主要包括数据完整率、多路径效应及周跳比等主要指标[5].

数据完整率反映了观测时段内接收机接收到GNSS 各系统数据的完整性，如果数据完整率太低，会使定位处理结果得不到相应固定解[6].数据完整率定义为观测时段内接收机观测到卫星的实际历元数据量与理论历元数据量的比值，其计算公式为

式中：Ro为数据完整率；Eo为在观测时间段内理论观测历元数；Ho为观测时间段内接收机生成观测文件中实际记录观测历元数量.

多路径效应会直接影响观测数据的精度，导致接收机数据质量降低，甚至造成接收机的跟踪环路失锁[7].质量越好的接收机抑制多路径的能力越强，为了验证各品牌接收机抑制多路径的能力，选用下列公式对多路径的大小进行评估[8]：

式中：MPj(ti)为历元ti时刻的多路径计算值；f1和f2表示不同频点频率；ρ 和L表示伪距和载波相位观测值.由于上式使用了载波相位观测值L，组合数据就引入了模糊度参数和硬件延迟等误差.对连续弧段多路径组合值取平均值，用 MPj(ti) 组合减去该频点该卫星多路径计算值的均值，来消除模糊度参数和硬件延迟对计算结果的影响.对四个系统13 个频点的多路径时间序列进行均方根(RMS)统计，将RMS 结果作为多路径误差.

周跳是指在GNSS 接收机载波相位观测中，由于卫星信号失锁导致整周基数跳变或中断[9].周跳的探测采用TurboEdit 算法，先用MW(Melbourne-Wubeena)组合探测，再用电离层残差(GF)组合探测[10].

MW 组合是常用的双频周跳探测方法，其表达式为[10]

式中：MW(ti)表示历元ti时刻MW 组合观测量；φ为载波观测周数.

MW 组合观测值历元ti时刻方差 σ2(ti)采用如下递推表达式

式中：n为当前历元时刻ti的历元个数；为前n-1个历元MW 组合观测量的均值.

当满足以下两个条件时，可以认为此历元存在周跳[10]

当两个频率的相位观测值出现大小相等的周跳时，MW 组合无法检测到，故再用GF 组合来检测.

无几何周跳探测公式为[10]

构造GF 组合周跳检测量ΔGF

当 ΔGF 大于1 时，认为该历元存在周跳.

周跳比是反映接收机载波相位测量数据质量的重要指标之一，周跳比越大，观测数据中周跳越少，其计算公式为[11]

式中：Rs为周跳比；Ho为观测历元数；So为含周跳历元数.

2.2 伪距和载波相位噪声

数据质量中的测距噪声分为伪距和载波相位噪声，伪距观测噪声不仅反映卫星信号本身的质量，也同时反映了接收机的综合性能[12].

本文采用多项式拟合法进行伪距噪声的评估.由于多路径误差短时间内保持稳定，不会发生太大变化，故采用多项式拟合法可以消除大部分多路径误差，剩余的多路径误差影响也可以忽略不计[13].

不同历元下某卫星的伪距噪声估值为

式中：i为历元序号；ti为历元时刻；j为观测卫星序号；ρj(ti)为伪距实际观测值；为第j颗卫星，在历元ti时刻的伪距二次多项式拟合值.

其中，进行伪距二次多项式拟合时，采用采样间隔为1 s 的观测数据，每120 个历元为拟合弧段，拟合弧段不重叠，当数据有中断时，可分段处理[15].

观测时段内，各GNSS 系统各频点伪距噪声RMS均值公式为

式中：n为任一频点下观测的卫星总数；j为观测卫星序号；i为历元序号；N为观测时段内，任一频点下第j颗卫星的观测历元总数.

本文采用相邻历元间三次差的方法进行载波相位噪声计算，处理方法为：对采样间隔为1 s 的观测数据求各系统任一频点各卫星的相邻历元载波相位观测值三次差的噪声估值[13].

式中，φj(ti)为某频点下历元ti时刻卫星j的载波相位观测周数.

观测时段内，各GNSS 系统任一频率载波相位噪声公式为

2.3 零基线相对定位

接收机内部噪声对接收机性能有重要的影响.本文利用零基线相对定位法进行检验，其基本原理是：两台接收机通过功率分配器连接到同一台天线，相同时间段内接收到的卫星信号相同，进行相对定位，两台接收机组成的基线理论长度为0.零基线相对定位法排除了传播路径误差卫星钟差和轨道误差等影响，可较为真实地反映接收机的质量水平[14].

3 实验结果与分析

选择2019 年3 月11 日至13 日年积日070—072 iGMAS 多个品牌接收机72 h 零基线观测数据，卫星高度角截取10°.利用观测环境完全相同下同步观测的8 个品牌16 台接收机的观测数据，进行观测数据质量(数据完整率、多路径效应、周跳比、观测噪声)及零基线相对定位精度的分析，统计结果为三天解算结果均值，全面评估监测接收机性能.

3.1 数据质量分析

3.1.1 数据完整率

根据数据完整率统计原理，计算各品牌一台接收机三天观测数据的完整率平均值，采样间隔为30 s，一般情况下要求完整率≥90%.图1 为各品牌接收机各系统不同频点数据完整率比较.

图1 各品牌接收机各系统不同频点数据完整率比较

图1 为各品牌接收机不同系统不同频点数据完整率比较，从不同系统数据完整率来看，GLONASS系统和Galileo 系统的各频点数据完整率在95%以上；GPS 和BDS 存在部分接收机的部分频点数据完整率低于95%，数据完整率较其他两个系统略低.

从各系统不同频点数据完整率来看，国产品牌6 接收机BDS 的各频点以及GPS 的L2P(Y)与L5C频点数据完整率略低，在90%～95%；国外品牌8 接收机的B1C 和B2a 新频点数据缺失，可能由于接收机没有接收B1C 和B2a 信号的功能.

从各品牌接收机的观测数据完整率来看，国产品牌接收机和国外品牌接收机观测的数据，在完整率上基本相当，各品牌接收机观测数据完整率都在90%以上，满足使用要求.

3.1.2 多路径效应

多路径分析中，观测数据采样间隔为30 s，截止卫星高度角为10°，多路径效应需≤0.5 m[13].表1 为各品牌接收机多路径统计结果；图2 为品牌1 接收机BDS 多颗卫星多路径与高度角之间关系，其中C05、C07 为地球同步轨道(GEO)卫星、北斗IGSO卫星，C14 和C27 为中圆地球轨道(MEO)卫星.

表1 各品牌接收机各频点多路径结果 m

由表1 可知：各频点多路径误差在–0.6～0.6 m，各频点所有品牌接收机多路径标准差的平均值均优于0.38 m；各品牌接收机除品牌1 的L2C 和G1 频点大于0.5 m 外，其余接收机各频点均小于0.5 m.综合各方面来看，在抑制多路径效应误差方面，国内和国外品牌接收机性能基本相当.

图2 为BDS 不同类型卫星多路径与高度角关系图，对GEO 卫星分析发现，当高度角范围一定时，多路径会有上下浮动较小的周期性波动特性；对IGSO和MEO 卫星分析发现，多路径效应随高度角的变大而逐渐减小，可以看出高度角和伪距多路径效应有一定相关性；通过对比，GEO 卫星的多路径效应明显高于北斗IGSO 卫星和MEO 卫星，可能是由于GEO 卫星相对于监测接收机位置长时间固定，GNSS 信号入射角相对固定，故多路径效应持续影响数据质量.

图2 BDS 系统卫星高度角与多路径关系

3.1.3 周跳比

统计周跳比时，需先进行周跳的探测.本文选用TurboEdit 算法探测周跳，即先用MW 组合探测，再用GF 组合探测周跳.探测时通过历元间平滑削弱多路径观测噪声的影响.一般要求各GNSS 系统的周跳比应不小于500[13].

MW 组合虽然消除了一阶电离层的影响，但为避免采样间隔过大而受二阶电离层影响，故选择高频观测数据(采样间隔1 s).

虽然MW 组合消除了大部分电离层延迟误差项，但精度受伪距精度影响，对小周跳的探测不敏感.而GF 组合消除了几何误差影响，历元间差分值也进一步削弱了电离层影响，因此精度较高，

故能探测小于1 周的周跳.图3 为品牌1 监测接收机C37 卫星3 种MW 组合1 h 周跳探测情况.图4为品牌1 监测接收机C37 卫星MW 和GF 周跳探测情况.表2 为各品牌接收机周跳比统计果.

表2 各品牌接收机各频点周跳比结果

图3 MW 周跳探测情况

由图4 可知，当MW 组合探测不到小周跳时，GF 方法可以有效探测，限于篇幅本文不再列出其他频点实验结果.

图4 MW 和GF 周跳探测情况

由表2 可知，年积日070—072 三天内，除国外接收机品牌7、8 的BDS 新频点数据缺失外，其余国产品牌均符合指标；从周跳比数值大小看，国产品牌接收机周跳比数值明显高于国外品牌接收机，在抑制周跳比的能力上国产品牌接收机略强于国外品牌接收机.

3.1.4 伪距和载波相位噪声分析

采用多项式拟合法进行伪距噪声的评估，统计各频点伪距噪声三天(年积日070—072)处理结果的均值.根据《iGMAS 质量要求第1 部分：观测数据》国家标准，不同码速率信号所有卫星的伪距噪声的平均值指标要求不同.各品牌接收机伪距噪声指标要求及伪距噪声如表3 所示.品牌7 接收机第71 天B1I、G1 频点各卫星伪距噪声值如图5 所示.

图5 B1I/G1 频点各卫星伪距噪声值

如表4 所示，对各品牌接收机各频点伪距噪声分析可知：国产品牌1、2、3、4 接收机各系统各频点伪距噪声均在限定指标范围内，且远低于限定指标；品牌5 接收机仅GPS 系统L2P(Y)频点伪距噪声值超过指标，且各频点伪距噪声整体性相对较差；品牌6 接收机各频点的伪距噪声超过限定标准的数倍，甚至达到分米级别.国外品牌7 接收机各系统频点伪距噪声接近限定指标或超限，其中B1I、L1C/A 频点超限；品牌8 接收机各系统频点伪距噪声在2 cm 以下，整体精度较高.

表4 各品牌接收机各频点载波噪声 mm

采用相邻历元间三次差的方法进行载波相位噪声评估，在载波相位噪声计算时，应首先在进行数据预处理，修复接收机钟差和周跳等的影响，根据标准各频率载波噪声平均值应小于0.01 周[13].

对各品牌接收机各频点载波相位噪声分析发现，品牌1、2、3、5 接收机载波相位测量精度较高；品牌4、6、7、8 接收机观测数据载波相位噪声均超过限定标准，其中品牌6 接收机载波相位噪声甚至达到分米级.

综合伪距和载波相位噪声两方面，发现国产品牌接收机在观测噪声方面明显优于国外品牌接收机；品牌4、6、8 接收机各频点伪距噪声和载波相位噪声数值相近，精度在同一个量级，初步怀疑其伪距观测值为载波平滑后的滤波观测值.品牌6 接收机伪距噪声和载波相位噪声数值异常偏大，可能是由于接收机内部算法不严谨导致.

3.2 零基线相对定位精度分析

通过功率分配器将同品牌下同型号的两台接收机连接到同一接收天线下，进行载波相位相对定位解算，测试接收机的内部噪声.由于基线理论值为0，因此这里只考核基线距离值，距离值应不超过1 mm.各品牌接收机各频点零基线长度如表5 所示.

表5 各品牌接收机各频点零基线长度 mm

由表5 可知，除品牌6 接收机B2a 频点超过限定标准外，其余品牌监测接收机各频点零基线长度值均小于1 mm；国外品牌7 和品牌8 接收机GLONASS系统G1 频点零基线长度值均超过1 mm.

零基线统计结果反映出：在接收机内部噪声方面，国内品牌接收机明显优于国外品牌接收机；品牌4、6、7、8 接收机各频点零基线长度基本正常，间接证明其伪距观测值为载波平滑后的滤波观测值，接收机内部存在相应平滑算法.

4 结束语

本文基于iGMAS 监测接收机零基线比测数据，从数据完整率、多路径、周跳比、观测噪声及零基线相对定位精度进行研究分析，得出结论如下：

1)数据完整率和多路径方面，国产监测接收机和国外监测接收机水平基本相当.其中，通过统计各品牌接收机多路径误差，验证了多路径与高度角和BDS 类型的关系.

2)从周跳比数值大小来看，国产品牌接收机周跳比数值明显高于国外品牌接收机，在抑制周跳比的能力上国产品牌接收机略强于国外品牌接收机.

3)综合伪距和载波相位噪声，发现国产品牌接收机在抑制伪距和载波观测噪声方面明显优于国外品牌接收机.

4)零基线相对定位精度上，国产接收机品牌明显优于国外品牌接收机，表明国产品牌接收机内部噪声明显低于国外品牌.

致谢：感谢iGMAS 提供数据支持.