基于靶场CORS 的试验区北斗数据质量分析

2023-12-01冯江海于国栋王春阳张黛冯吉花安娜

全球定位系统 2023年5期

冯江海，于国栋，王春阳，张黛，冯吉花，安娜

( 中国人民解放军63869 部队, 吉林白城 137001 )

0 引言

卫星导航定位技术的迅猛发展，推动了我国综合定位、导航和授时(positioning，navigation and timing，PNT)系统的建设，为智慧城市、物联网、智能交通等体系建设提供了全球覆盖、全天候的时间与位置服务[1]. 我国自主研发的北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)自2020 年6 月完成全球组网，不仅向全球用户提供标准PNT 服务、全球短报文通信(global short message communication, GSMC)和国际搜救(search and rescue，SAR)服务，还向中国及周边地区提供星基增强(satellite-based augmentation system，SBAS)、精密单点定位(precise point positioning，PPP)和区域短报文通信(regional short message communication，RSMC)[2]. 蔡洪亮等[3]利用iGMAS实测数据对BDS-3 六类服务的核心指标进行了评估，为北斗不同类型的用户提供了科学的参考.

观测数据的质量直接影响系统定位的可靠性、稳定性、可用性和定位精度，从根本上影响系统的性能服务水平，并间接影响到系统的全球化应用进程[4].文献[5-6]认为BDS-3 的载噪比(carrier to noise ratio，CNR)优于北斗二号(BeiDou-2 Navigation Satellite System，BDS-2)，兼容互操作性、数据完整率、数据饱满度和连续性都有不算错的表现. 文献[7-9]对北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)的数据质量进行详细分析，但相关结论仅基于有限几天的数据，没有研究全年的变化趋势，长周期性变化趋势有待总结. 由于各系统用于组网的中圆地球轨道(medium earth orbit，MEO)卫星运行周期大多分为12 h，地球静止轨道(geostationary earth orbit，GEO)卫星运动状态相对静止，所以每个区域可视卫星相对较为稳定，因此基于区域连续运行参考站(continuously operating reference station，CORS)连续观测数据分析区域GNSS 数据质量就显得很有意义.参照国际GNSS 监测评估系统(International GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS)对全球各系统卫星数据质量进行监测评估的模式，文章探讨了基于CORS 连续观测数据进行用户应用端数据质量分析的方法，为下一步基于靶场CORS 建立试验区GNSS 数据观测与评估系统奠定理论基础.

1 观测数据质量指标

本文将针对数据完整率、周跳比、多路径误差、CNR 和伪距单点定位(single point positioning，SPP)精度五个方面质量指标[10]，从卫星系统、观测值数据类型和指定卫星三个角度进行数据质量分析.

1.1 数据完整率

数据完整率表示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，能够反映跟踪站点在不同截止高度角范围内数据的可用性和完好性，比值越大说明数据质量越好. 为了消减电离层延迟影响、提高定位精度，往往采用多频观测数据进行线性组合，因此文章同时也对双频4 星的数据完整率进行了统计.

1.2 周跳比

周跳比表示观测时间段内，接收机接收的实际历元数据量与发生周跳历元数据量的比值，能够反映观测环境周围的遮挡和电磁干扰等综合环境情况，一般常用每千历元周跳数(cycle slips per 1 000 obs, CRS)来表示，数值越小越好. 超过半数的国际GNSS 服务International GNSS Service，IGS)站的CRS 年平均值小于5，2/3 以上的CRS 年平均值小于10[11].

1.3 多路径误差

多路径误差与测站周围环境和接收机内部结构、技术性能密切相关，该项误差通过差分或者建模的方式无法有效消除，但是针对双频或多频GNSS 观测数据，可通过多个频点观测数据的线性组合消除对流层延迟和电离层延迟的一阶项影响，并扣除卫星和接收机之间几何距离后，再进行相应的周跳探测修复和粗差剔除，从而有效计算出观测时段内任一GNSS、任一频率、任一卫星的多路径误差值，2/3 的IGS 站L1 频点的伪距多路径延迟(MP1)平均值小于0.5，L2 频点的伪距多路径延迟(MP2)平均值小于0.75[11].

1.4 CNR

CNR 表示已调制信号的平均功率与噪声功率谱密度之比，反映了信号在整个发射和接收过程中的增益与损耗，受接收机跟踪、捕获信号的能力以及内部抑制噪声的能力、观测环境等因素的影响，数值越大表明观测数据质量越好.

1.5 SPP

伪距观测数据质量的好坏对定位精度产生直接影响，基于空间距离后方交会实现的SPP 定位速度快，使用方便，常用作衡量导航信号稳定性和数据质量的重要指标[12-14].

2 试验结果分析

2.1 全年GNSS 各系统数据完整率分析

选取CORS 站HUEG 测站(基本信息如表1 所示)2021 年全年分布的数据(每个月任选2 d，合计24 d数据)，统计每天各系统可接收卫星数和几何精度因子(geometric dilution of precision，GDOP)值如图1所示，同时选取其中一天的观测数据绘制卫星天空如图2 所示，并统计可视数据完整率和可视卫星轨迹曲线数如表2 所列.

图1 各系统可接收卫星数量对比图和GDOP 对比图

图2 各系统卫星天空图(连续时段30 min)

表1 HUEG 站址基本信息

表2 各系统可视数据完整率和可视卫星轨迹曲线数(连续观测数据)

由图1 可知，各系统全年可视卫星数比较稳定，BDS 可视卫星最多，GPS 可视卫星数与BDS-3 卫星数相当；从GDOP 值变化图上看，GPS 年平均GDOP值较其他系统好，BDS 其次，GLONASS 最差；但从GDOP 稳定性来看，BDS 全年星座结构比较理想，GPS 在年积日第213 天和年积日第300 天波动较大.

由表2 可知，各系统可视卫星数据率相当，GPS相对较低；GPS 和GLONASS 卫星信号容易被捕获，但卫星容易失锁，导致小片段数据(以5 min 数据为例)较多，数据连续性较差，北斗数据完整性相对较好.

分别统计2021 年各系统不同截止高度角范围内实际接收数据完整率、可用数据完整率(双频、4 颗以上卫星、星历数据完整)、星历缺失数据比例、单频数据比例CRS 和每千历元数据中断情况如图3 所示.

图3 各系统数据完整性对比图

由图3 可知：

1) GPS 数据完整性较其他系统要好，Galileo 其次，年平均值分别为94.52%、93.56%，GLONASS 数据完整性较差，数据完整率最低时为47.63%；

2) 年积日第121—337 天(除了年积日227 天)由于星历文件缺失导致各系统可用历元数据完整率较差；

3) GLONASS 单频伪距/载波观测量相比其他系统出现频率较高，BDS 单频数据出现比例最低，即可用的多频数据较多；

4) 根据统计学规律[11]，超过半数IGS 站的CRS年平均值小于5，2/3 以上的年平均值小于10，根据文献[10]规定，任一GNSS 的CRS 不大于2，而此次样例中，GLONASS 的CRS 远大于5，年平均值为13.77，测站周跳影响较为严重，而其他系统年平均值分别为1.25(GPS)、0.37(Galileo)、0.65(BDS)，满足测量规范相关规定. 同时，导航电文缺失期间，周跳和数据中断现象明显较为严重.

2.2 同频GPS、BDS 和Galileo 数据质量对比

为了实现与其他GNSS 的兼容互通，BDS-3 频点设计时采用了与GPS、Galileo 相同的频率，具体情况如表3 所示.

表3 GPS、Galileo 和BDS 同频点信息情况表

采用2021 年HUEG 测站全年数据对GPS、BDS 和Galileo 兼容互通的频点进行数据完整率、多路径误差和CNR 情况计算，由于各系统兼容频点较多，因此文章采用6 字符定义各信道名，其中前3 字符代表星座，第4 字符代表数据类型，后2 个字符代表信道，如图4 所示.

图4 同频点各系统数据质量对比

通过对BDS-3 信号的数据完整性、多径和CNR进行分析，并与同频的GPS、Galileo 信号作对比可得结论如下：

1) 同频点BDS-3 信号数据完整性较其他系统更稳定，均值在90%以上，满足规范指标要求，年积日213 当天GPS 的L1C 和L5 数据完整性较差.

2) 各系统多径影响均小于0.5 m，满足规范指标要求，其中Galileo 同比多路径影响最小，BDS-3 B2a和B2b 信号同比多路径影响较大.

3) 各系统CNR 的平均值均大于35 dB·Hz，满足规范指标要求，其中Galileo 的E1 和GPS 的L5，与相同频点的其他系统数据相比，噪声相对较小，BDS-3各频点噪声影响相对比较稳定，数据处理精度要求不高时可考虑将其作为系统误差进行消减.

对年积日227 当天观测数据的多路径误差和CNR 按历元进行时序分析，如图5 所示，同时统计均值如表4 所示.

图5 年积日227 各系统同频点数据质量对比

表4 年积日227 当天 GPS、Galileo 和BDS 同频点多径和CNR 均值

通过对年积日227 天的观测数据进行同频点各系统多路径和CNR 时序分析可得：

1)同频点BDS-3 较GPS 和Galileo 在年积日227 当天所造成的多路径影响大，但是影响比较稳定，均小于0.5 m，GPS 和Galileo 的多路径均值虽然较低，但是部分历元多径影响超过0.5 m 的指标要求；

2)同频点BDS 信号的噪声影响较Galileo 低，GPS 的L5 信号的强度较Galileo 的E5a 和BDS 的B2a 要强.

2.3 BDS 各频点数据质量对比

对2021 年HUEG 测站的BDS 观测数据按频点分别对数据完整率、多路径误差和CNR 进行分析计算，如图6 所示.

图6 北斗各频点数据质量变化

通过分析BDS 全年各频点的数据质量，可以发现：

1) B2I 作为BDS-2 的频点，在BDS-3 卫星上仍有播发，但数据完整率较差，年平均值为67.20，其余频点数据完整率年平均值均大于98.5%，BDS-3 数据完整性较好，年积日202 当天BDS-3 数据完整性整体较差，均值92.14%；

2) BDS-2 频点B2I 及过渡频点B1I 在该测站受到的多路径影响较为严重，且B2I 受到的噪声影响也最大，年均值39.83%；

3) 融合频点B2(B2a+B2b)具有较好的多路径和噪声抑制作用.

选取年积日227 当天的观测数据，对BDS 各频点的数据完整率、多路径误差和CNR 逐历元进行时序分析，如图7 所示.

图7 年积日227 当天BDS 各频点数据质量时序变化

通过对年积日227 当天的观测数据，进行BDS各频点时序分析可得结论如下：

1) BDS-2 频点B2I 受环境影响较大，其次是过渡信号B1I，13:30—14:00 多路径影响远大于0.5 m的限差要求，BDS-3 信号频点整体抗多路径影响性能较好；

2) BDS 各频点受噪声的影响整体规律相似，BDS-2频点B2I 和过渡频点B1I 和B3I 相对于BDS-3 频点信号强度较差，抗噪声能力较弱；

3) BDS-3 融合频点B2(B2a+B2b)整体抗多路径影响和抗噪声能力较强.

2.4 BDS 不同类型卫星数据质量分析

与GPS、Galileo 和GLONASS 相比，BDS 创新的采用多类型卫星混合组网模式，既满足了全球PNT服务的优质保障，为GEO 卫星的使用提供了SBAS、RSMC 等特色服务，同时高轨卫星的使用增强了亚太地区卫星的可见性，较其他星座设计上具有巨大的优势.

选取年积日227 当天BDS-3 不同类型的卫星各1 颗(GEO(PRN60)、MEO(PRN23)和倾斜地球同步轨道(inclined geo-synchronous orbit，IGSO)卫星(PRN39))分别计算伪距多路径误差(MP)和CNR，如图8~9 所示.

图8 BDS 不同类型卫星多路径和高度角时序分析

图9 BDS 不同类型卫星CNR 和高度角时序分析

通过对不同轨道卫星、不同频点观测数据进行多路径和CNR 时序分析可得：

1) IGSO 和MEO 卫星的多路径误差均随着高度角的降低而发散，多路径误差变化较大；同时随着高度角的降低，观测噪声也相对增大；

2) GEO 卫星的高度角无明显变化，B3I 信号多路径误差整体较B1I 小的多，由于GEO 卫星高度角较为稳定，所以B1I 和B3I 的CNR 变化不是很明显，在GEO 卫星信号强度监测过程中发现了B2I 的信号数据，具体原因还需进一步分析；

3) B1I 频段信号的抗多路径和抗噪声性能要差于其他频段，B2b 和B2(B2a+B2b)相对来说多路径误差较小、CNR 较高.

2.5 SPP 精度分析

利用2021 年HUEG 测站伪距观测数据进行SPP. 并与IGS 已知站址坐标进行对比，经坐标变换和高斯投影以后可得各单系统(GPS、BDS、Galileo 和GLONASS)和多系统(GNSS)平面和高程残差如图10所示，对年积日227 当天观测数据逐历元进行SPP，并与已知站址坐标进行对比，可得SPP 定位精度残差如图11 所示.