董斌斌,陳國恒,聶慶森

(廣東省國土資源測繪院,廣東 廣州 510500)

0 引 言

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的快速發(fā)展,及俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)和歐盟的伽利略系統(tǒng)(Galileo)的不斷發(fā)展,美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)不再是唯一可選擇的衛(wèi)星系統(tǒng). 四大系統(tǒng)組成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)近年來不斷發(fā)展，增加衛(wèi)星數(shù),優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu),多種頻率發(fā)播為用戶提供更多的導(dǎo)航信息,為提高定位精度提供了更好的保障[1]. 在測繪應(yīng)用研究中,為實現(xiàn)江門川島區(qū)域大于10 km的長距離的跨海高程傳遞,需選擇觀測條件良好的測站,但由于部分衛(wèi)星質(zhì)量的參差不齊,會對后期的觀測數(shù)據(jù)解算帶來干擾. 因此,數(shù)據(jù)解算前的各衛(wèi)星系統(tǒng)質(zhì)量檢查尤為重要. 目前免費開放的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工具主要有美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體研發(fā)的TEQC、德國地學(xué)中心研發(fā)的gfzrnx、德國法蘭克聯(lián)邦測繪局研發(fā)的BNC和捷克國家大地測量局研發(fā)的G-nut/Anubis[2-6]等. 相較于其余三款工具,G-nut/Anubis可同時支持rinex2.x和rinex3.x版本的GPS/GLONASS/Galileo/BDS及其他國家的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的質(zhì)量檢查. 為掌握江門川島區(qū)域所選測站的GNSS多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量情況,本文利用G-nut /Anubis對測站各衛(wèi)星的質(zhì)量情況進行分析,為后期的數(shù)據(jù)解算提供參考.

1 質(zhì)量檢查原理與方法

1.1 數(shù)據(jù)利用率

數(shù)據(jù)利用率是反映觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo),其定義為一個時段內(nèi)有效數(shù)據(jù)歷元個數(shù)與總歷元個數(shù)的比值. 在一個時段的觀測值的數(shù)據(jù)剔除率不宜大于10%,即數(shù)據(jù)利用率要大于90%[7]. 當(dāng)不能滿足該條件時,可能原因是測站的觀測環(huán)境不佳,或接收機硬件設(shè)備出現(xiàn)問題.

1.2 多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)是由于多個路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應(yīng). G-nut/Anubis采用了新的通用公式,通過偽距和載波相位觀測值的線性組合能對所有GNSS系統(tǒng)的雙頻觀測值進行多路徑估值,公式如下[8].

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)

=Pk+αLi+βLj,

(1)

(2)

式中:MP為偽距多路徑效應(yīng);P為雙頻偽距觀測值;L為雙頻載波相位觀測值;f為頻率;k、i和j為頻率索引.

當(dāng)k=i=1,j=2時:

(3)

當(dāng)k=i=2,j=1時:

(4)

當(dāng)k=i=5,i=1,j=2,時:

(5)

根據(jù)國際GNSS服務(wù)組織(IGS)觀測站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析顯示,GPS衛(wèi)星2/3的測站MP1平均值小于50 cm,而2/3的測站MP2平均值小于75 cm. 由于其他系統(tǒng)頻率的MP值暫未有參考依據(jù),本次川島區(qū)域測站的質(zhì)量檢查以上述指標(biāo)作為參考指標(biāo),但總體而言,MP值越小代表抗多路徑效應(yīng)能力越強[9].

1.3 周跳比

某顆衛(wèi)星在單位歷元的兩個頻率上,檢測到周跳情況,則認(rèn)為該歷元產(chǎn)生周跳現(xiàn)象. 在質(zhì)量檢查時以O(shè)/Slps值表示觀測值與周跳比,有學(xué)者以CSR值的形式來反映周跳比的情況[10],公式如下:

(6)

根據(jù)IGS觀測站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析顯示,超過2/3的測站CSR平均值小于10,本次川島區(qū)域測站的質(zhì)量分析參考上述指標(biāo)作為判斷指標(biāo).

1.4 檢查方法

從G-nut/Anubis官網(wǎng)(http://www.pecny.cz/Joomla25/index.php/gnss/sw/anubis)下載對應(yīng)平臺的版本,目前最新版本為Anubis 2.2.4,以Linux平臺為例,下載anubis-lin-64后改名為anubis,復(fù)制到usr/bin目錄下就可使用. 輸入命令anubis-X 2> anubis-defaults.xml生成xml格式的初始配置文件,當(dāng)準(zhǔn)備好相應(yīng)的rinex觀測文件和brdm混合廣播星歷文件后,修改xml文件的相關(guān)參數(shù),輸入命令anubis-x anubis-defaults.xml即可輸出質(zhì)量檢查結(jié)果. 此外,利用官網(wǎng)提供的腳本plot-Anubis.pl,可輸出結(jié)果文件的可視化圖[11].

2 實例分析

2.1 質(zhì)量檢查

以測繪應(yīng)用研究的江門川島區(qū)域為例,目標(biāo)是實現(xiàn)大于10 km的長距離跨海高程傳遞,前期階段需選擇合適的測站用于GNSS數(shù)據(jù)采集. 為此本文基于G-nut/Anubis對已選測站進行質(zhì)量檢查,測站分布如圖1所示. 測站數(shù)據(jù)采樣間隔為10 s,觀測時間為2018年9月29日,觀測時長22 h以上,衛(wèi)星截止高度角均設(shè)置為10°,星歷采用brdm混合廣播星歷文件. 測站B014接收機型號為TRIMBLE R8S,B016為TRIMBLE R4,B017為TRIMBLE R8 Model 3,得出3個測站的質(zhì)量檢查統(tǒng)計如表1所示.

圖1 川島測站分布圖

表1 測站質(zhì)量檢查統(tǒng)計

由表1可知,測站B014可接收系統(tǒng)有GPS/GLONASS/Galileo/BDS,由于儀器型號較舊的原因,B016和B017接收衛(wèi)星系統(tǒng)只有GPS/GLONASS. 數(shù)據(jù)可利用率方面,測站B014的GPS/GLONASS/BDS均為100%,Galileo只有80.82%,低于規(guī)范的要求. B016和B017的GPS均為100%,GLONASS分別為96.90%和97.42%,均符合規(guī)范要求. 多路徑效應(yīng)方面,3個測站各衛(wèi)星系統(tǒng)的多路徑效應(yīng)MP值均小于50 cm,符合相關(guān)規(guī)定. 其中3個測站的GLONASS多路徑效應(yīng)MP值均大于GPS,B014測站中GLONASS的MP值最大,MP1為43.5 cm,MP2為34.0 cm,BDS的平均MP值略小于GPS的平均值,而MP值最小的是Galileo,MP1為14.3 cm,MP8為7.8 cm. 周跳比情況方面,3個測站的CSR值均小于1,遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的指標(biāo),反映了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量良好.

2.2 質(zhì)量可視化

為了更好地反映各系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量情況,以測站B014為例,分別輸出衛(wèi)星天空軌跡圖(圖2)、多/單頻衛(wèi)星統(tǒng)計圖(圖3)、碼/相位頻段統(tǒng)計圖(圖4)、觀測值類型衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計圖(圖5)、觀測值碼多路徑統(tǒng)計圖(圖6)、單點定位誤差統(tǒng)計圖(圖7)和單點定位平面離散度統(tǒng)計圖(圖8)作進一步的可視化分析.

圖2 衛(wèi)星天空軌跡圖

由圖2可看出,從截止高度角10°起,四大系統(tǒng)中GPS的衛(wèi)星天空軌跡最密集. 其次是GLONASS,軌跡相對較少的是BDS和Galileo. 這也證明了GPS依然是目前最完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),隨著我國北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)的全球組網(wǎng),星座會更加完善.

圖3 多/單頻衛(wèi)星統(tǒng)計圖

由圖3可看出,四大系統(tǒng)的多/單頻觀測時長均不少于22 h. 圖中彩色部分為多頻觀測衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計,黑色為單頻觀測衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計,各系統(tǒng)衛(wèi)星絕大部分為多頻觀測. 觀測衛(wèi)星數(shù)最多的是BDS,每小時平均能觀測11顆以上. 其次是GPS,每小時平均觀測衛(wèi)星數(shù)有8顆以上,GLONASS每小時平均觀測衛(wèi)星數(shù)有5顆以上,部分時段出現(xiàn)少數(shù)單頻觀測衛(wèi)星,Galileo觀測衛(wèi)星數(shù)最少,每小時平均只有4顆以上.

圖4 碼/相位頻段統(tǒng)計圖

由圖4可看出,GPS共接收到31顆衛(wèi)星,其中12顆衛(wèi)星均為3個頻段,其余19顆均為2個頻段. GLONASS共接收到24顆衛(wèi)星,其中12顆衛(wèi)星均為2個頻段,有2顆為單個頻段. Galileo共接收到16顆衛(wèi)星,均為2個頻段. BDS共接收到13顆衛(wèi)星,同樣均為2個頻段.

圖5 觀測值類型衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計圖

圖5為各系統(tǒng)的觀測值類型衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計圖.觀測類型由3個字符組成[12-13],第一個字符為觀測值類型,C代表偽距,L代表載波相位,D代表多普勒頻率. 第二個字符為頻率或波段,例如GPS的波段1、2、5分別代表頻率L1、L2、L5,GLONASS的波段1、2分別代表頻率L1、L2,Galileo的波段1、8分別代表頻率E1、E5a+b,BDS的波段2、7、6分別代表頻率B1、B2、B3. 第三個字符為跟蹤編碼或者通道,例如GPS的C、W、X分別代表編碼C/A、z-tracking and similar(AS on)、L2C(M+L)或通道I+Q,GLONASS的C、P分別代表編碼C/A、P,Galileo的X代表通道B+C,BDS的I代表通道I. 由圖5可看出,GPS的觀測值類型最多,有C1C、C2W、C2X、C5X、L1C、L2W、L2X、L5X共8種,其中衛(wèi)星數(shù)最多的是C1W、C2W、L1C、L2W,共有31顆,衛(wèi)星數(shù)最少的是C5X,共有12顆. GLONASS觀測值類型數(shù)僅次于GPS,有C1C、C2C、C2P、L1C、L2C、L2P共6種,各觀測值衛(wèi)星數(shù)相當(dāng),為22～24顆. Galileo和BDS均有4種觀測值類型,分別是Galileo的C1X、C8X、L1X、L8X和BDS的C2I、C7I、L2I、L7I,各觀測值衛(wèi)星數(shù)分別為16顆和13顆,由于接收機并未接收到B3頻率,導(dǎo)致BDS的衛(wèi)星數(shù)較少.

圖6 觀測值碼多路徑統(tǒng)計圖

觀測值碼多路徑統(tǒng)計如圖6所示，各系統(tǒng)的觀測值碼多路徑值均小于50 cm. GPS的4個碼多路徑平均值為24.1 cm,與表1對應(yīng)的MP1和MP2平均值一致. GLONASS的3個碼多路徑平均值為38.8 cm,與表1對應(yīng)的MP1和MP2平均值一致. Galileo的2個碼多路徑平均值為11.1 cm,與表1對應(yīng)的MP1和MP8平均值一致. BDS的2個碼多路徑平均值為21.5 cm,與表1對應(yīng)的MP2和MP7平均值一致. 由此可得,Galileo的碼多路徑值最小,GLONASS的碼多路徑值最大.

圖7 單點定位誤差統(tǒng)計圖

圖8 單點定位平面離散度統(tǒng)計圖

圖7～8為各系統(tǒng)在偽距單點定位的誤差值和離散程度情況.由于提供了混合廣播星歷,G-nut/Anubis可通過偽距單點定位的方法來計算接收機的三維位置[14],其離散程度的分布反映測站可用衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星空間幾何構(gòu)形(GDOP)等因素的影響[15]. 當(dāng)單點定位誤差值越小,離散程度越小,則精度越高. 由圖7～8可看出,單點定位誤差最小的為Galileo,在N、E、U方向均小于2 m,但由于衛(wèi)星數(shù)和有效觀測量較少,導(dǎo)致在圖8上的平面離散點較少,不具代表性. 其次是GPS,單點定位誤差在N、E方向均小于2 m,U方向小于4 m,平面離散點較為集中. GLONASS的單點定位誤差在N方向小于4 m,在E方向小于5 m,U方向小于7 m. BDS的精度最低,尤其在單點定位誤差的U方向大于10 m,平面離散點也較分散. 由此可得,綜合單點定位誤差和離散程度來看,GPS的精度相對更高.

2.3 數(shù)據(jù)解算

綜合上述實例的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和可視化分析結(jié)果來看,GPS的數(shù)據(jù)質(zhì)量最好. 為進一步驗證經(jīng)質(zhì)量分析后的數(shù)據(jù)處理情況,本文對該3個測站共同接收的GPS和GLONASS數(shù)據(jù)分別進行基線解算對比,驗證GPS的數(shù)據(jù)解算質(zhì)量,如圖9所示.

圖9 數(shù)據(jù)解算質(zhì)量對比圖

數(shù)據(jù)解算后共有3條基線向量,分別是① B014-B016② B014-B017③ B016-B017. 由圖9可得,GPS基線解算精度在N(北)、E(東)、U(高)方向上均高于GLONASS,其中N方向GPS較GLONASS平均精度能提高18.75%,E方向平均精度能提高50%,U方向平均精度能提高13.83%.

3 結(jié)束語

本文以江門川島區(qū)域為例,基于G-nut/Anubis對跨海高程傳遞應(yīng)用研究的所選測站進行GNSS多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析,得到以下結(jié)論.

1)所有測站中的GPS/GLONASS/BDS數(shù)據(jù)可利用率均大于90%,滿足規(guī)范要求,其中GPS全部為100%,Galileo為80.02%,低于其它3個系統(tǒng);多路徑效應(yīng)中GLONASS的MP值最大,Galileo的MP值最小,但各個系統(tǒng)均小于50 cm,滿足相關(guān)規(guī)定;周跳比情況中各測站的CSR值均小于1,滿足相關(guān)規(guī)定.

2)通過質(zhì)量可視化圖分析,衛(wèi)星天空軌跡最密集的是GPS,每小時多頻觀測衛(wèi)星數(shù)最多的是BDS,接收衛(wèi)星和頻段數(shù)最多的是GPS,觀測值類型及其觀測衛(wèi)星數(shù)最多的是GPS,觀測值碼多路徑值最小的是Galileo,單點定位精度相對更高的是GPS.

3)經(jīng)數(shù)據(jù)解算質(zhì)量對比驗證,GPS依然是可用性和可靠性高的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng). 因此,在測繪應(yīng)用研究過程中,應(yīng)以GPS作為后期數(shù)據(jù)解算的主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),并以GLONASS/Galileo/BDS作為輔助,篩選出質(zhì)量好的觀測衛(wèi)星. 但受限于接收儀器型號不同和測站樣本過少,BDS-3衛(wèi)星和不同觀測條件下的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析仍要作進一步研究.