張宇琳，王友昆,2，余章蓉，丁仁軍，寸壽才

(1.昆明市測繪研究院，昆明 650051；2.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，武漢 430079；3.昆明理工大學(xué) 津橋?qū)W院，昆明 650106)

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是為滿足我國軍事、民用對實時高精度定位的需求而建立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，系統(tǒng)的建設(shè)分為3個階段：1994—2003年建立BDS-1系統(tǒng)，為中國用戶提供定位、導(dǎo)航和短報文服務(wù)；2004—2012年建立BDS-2系統(tǒng)，期間共發(fā)射14顆衛(wèi)星(5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星)；2020年，我國建設(shè)完成BDS-3基本系統(tǒng)，進一步擴展服務(wù)區(qū)域，為全球用戶提供實時定位服務(wù)。BDS-3的出現(xiàn)標(biāo)志著我國成為繼美國、俄羅斯之后，第三個擁有自主建設(shè)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的國家[2]。

國際GNSS服務(wù)(International GNSS Service，IGS)是國際大地測量協(xié)會為支持全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展建立的協(xié)作組織，截至2009年，IGS地面跟蹤站的數(shù)量已經(jīng)達到422個[3-5]，可以為全球大地測量和衛(wèi)星定位研究學(xué)者提供豐富的全球GNSS數(shù)據(jù)樣本和產(chǎn)品。

目前，BDS二代已經(jīng)建設(shè)完成，BDS三代也處于發(fā)射完成的后續(xù)調(diào)整過程中[6-8]，因此，文中利用IGS全球跟蹤站點的數(shù)據(jù)作為研究樣本，以BDS二代衛(wèi)星作為研究對象，分3項指標(biāo)對可接收到BDS信號的IGS站點進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

1 IGS站點北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

1.1 IGS北斗站點分布情況

文中選取IGS全球站點中302個站點2020年DOY165的GNSS數(shù)據(jù)作為實驗樣本，其站點分布情況如圖1所示。從緯度方向觀察，IGS站點主要分布在80°S～80°N之間，其中北半球站點數(shù)量為216，南半球站點數(shù)量為85。從經(jīng)度方向觀察，東半球站點數(shù)量為169，西半球站點數(shù)量為132。

將圖1的302個IGS站點按照能否接收到BDS衛(wèi)星信號進行劃分，其分布情況如圖2所示?？梢越邮盏紹DS衛(wèi)星信號的站點有222個，無法接收到BDS衛(wèi)星信號的站點有80個，其中東半球可以采集BDS數(shù)據(jù)的站點有144個，占東半球站點總數(shù)的85.2%；西半球可以采集BDS數(shù)據(jù)的站點有78個，占西半球站點總數(shù)的59.1%。

圖1 IGS站點分布情況

圖2 IGS站點北斗可接收情況

按照洲為單位進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，歐洲地區(qū)可接收到BDS信號的站點最多，北美地區(qū)可接收到BDS信號的站點最少。

1.2 北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)

對于采集到的數(shù)據(jù)，首先進行數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)完整率是表現(xiàn)接收機性能和衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)特征的第一個指標(biāo)。通過數(shù)據(jù)完整率，可以判斷站點采集的數(shù)據(jù)在頻點、衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)上是否滿足建設(shè)的需求，其次關(guān)注站點采集時數(shù)據(jù)丟失的情況，可以反映接收機數(shù)據(jù)采集的性能。在處理過程中，首先會根據(jù)頭文件的觀測值類型、采樣時間間隔和時長判斷當(dāng)前觀測值文件理論上具備的觀測值數(shù)量，之后再統(tǒng)計實際的觀測值數(shù)量，兩者之比即為該觀測值文件的數(shù)據(jù)完整率。

(1)

式中：integrity為數(shù)據(jù)完整率;Obs_r為實際觀測值數(shù)量;Obs_t為理論觀測值數(shù)量。

MP數(shù)值反映的是觀測信號在某信號頻率上多路徑效應(yīng)的影響[9-10]。MP值越小，站點周圍環(huán)境越好，接收機抗多路徑效應(yīng)的能力越強。多路徑效應(yīng)算式如下：

(2)

式中：Pi為第i頻率上的偽距觀測值;φi,φj分別為第i和第j頻率上的相位觀測值;α為第一和第三頻率fi,fj之比的平方，即α=(fi/fj)2。

由式(2)可知，傳統(tǒng)的多路徑誤差公式是一種偽距與載波觀測值的組合公式。根據(jù)式(2)，每一個采樣時間點對應(yīng)一個MP數(shù)值，最終可以得到MP數(shù)值的時間序列，然后對該時間序列進行STD統(tǒng)計得到最終多路徑效應(yīng)的結(jié)果[11-13]。

信噪比是表明GNSS信號強度的一種指標(biāo)，一般在30～50 dB/Hz之間[14-15]。信噪比的數(shù)值越高，表明衛(wèi)星信號質(zhì)量越好。目前IGS站點使用的接收機具備輸出各個頻點信噪比的功能，在進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析時，可以直接讀取觀測文件中的信噪比觀測值，用于分析接收機、天線對信號的追蹤能力。

2 實驗與分析

文中通過FTP協(xié)議訪問IGS站點的方式進行數(shù)據(jù)采集，得到的觀測數(shù)據(jù)是crx格式的，需要利用crx2rnx軟件進行格式轉(zhuǎn)化，得到Rinex格式的數(shù)據(jù)。觀察得到的Rinex數(shù)據(jù)文件發(fā)現(xiàn)，不同的IGS站點數(shù)據(jù)格式不一致，轉(zhuǎn)化后得到的文件具有Rinex 3.02、Rinex 3.03和Rinex 3.04等不同版本，利用RTKLIB的convbin軟件可以進行數(shù)據(jù)格式版本統(tǒng)一，將采集得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一為Rinex 3.02版本。在Rinex 3.02中，BDS數(shù)據(jù)信息如表1所示。表1中的“t”分別為“I”“Q”“X”，表示不同的信道或碼。

表1 Rinex 3.02的BDS數(shù)據(jù)信息

然后利用自開發(fā)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件，對每個站點BDS數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差和信噪比計算。數(shù)據(jù)處理策略如表2所示。

表2 實驗處理策略

2.1 數(shù)據(jù)完整率分析

由于衛(wèi)星播發(fā)機制和接收機性能的不同，獲取的觀測文件中，部分站點數(shù)據(jù)會存在系統(tǒng)性的頻點缺失現(xiàn)象，這種缺失不是站點數(shù)據(jù)質(zhì)量較差導(dǎo)致的，需要結(jié)合衛(wèi)星、接收機的拒聽情況進行分析，因此，文中將每顆衛(wèi)星最多能采集到觀測值類型數(shù)量與歷元數(shù)的積作為理論觀測值數(shù)量。222個站點數(shù)據(jù)完整率的實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 IGS站點北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整率

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn),222個站點的數(shù)據(jù)完整率分布在13%～100%之間，其中數(shù)據(jù)完整率達到93%以上的站點有131個，占總站點數(shù)量的59.0%，所有測站北斗信號的數(shù)據(jù)完整率均值為83.0%。對所有站點的數(shù)據(jù)完整率進行直方圖統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。

圖4 IGS站點北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整率分布

2.2 多路徑誤差分析

由式(2)可知，采用多路徑誤差算式得到MP時間序列，需要進一步處理才可以得到所需的站點多路徑誤差數(shù)值。式(2)中運用偽距觀測值和相位觀測值，而相位觀測值由于遮擋或其他情況發(fā)生周跳時，MP序列也會出現(xiàn)跳變，因此在進行統(tǒng)計計算時，需要進行預(yù)處理，TEQC軟件的思路是采用周跳探測結(jié)合窗口平滑的方法，文中利用周跳探測方法將序列進行分段，然后進行STD計算處理，得到多路徑誤差數(shù)值。最終得到的匯總結(jié)果如圖5所示。

圖5 IGS站點多路徑誤差

分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，大量站點的多路徑誤差分布在0.10～0.5 m之間，部分多路徑誤差高于0.5 m的標(biāo)準(zhǔn)值，最大的多路徑誤差可達1.93 m，該值出現(xiàn)在NCKU站點的MP21。同時分析發(fā)現(xiàn)GLPS站無多路徑誤差計算結(jié)果，原因是該站點僅接收B1頻點的數(shù)據(jù)，無法進行多路徑誤差的計算。綜合所有測站統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，能采集到B1頻點數(shù)據(jù)的站點有222個；能采集到B2頻點數(shù)據(jù)的站點有221個；能采集到B3頻點數(shù)據(jù)的站點有165個，如表3所示。

表3 頻點與接收站點數(shù)量

為進一步觀察MP的分布規(guī)律，將多路徑誤差的結(jié)果進行直方圖統(tǒng)計，如圖6所示。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，IGS站點不同頻點的多路徑誤差分布存在細(xì)微的數(shù)值差別，在0.25～0.50 m之間，MP31的站點百分比要遠高于其他兩個頻點；在0.50～2.00 m之間，MP12的站點較多，百分占比最高，但是MP12低于0.50 m的站點較少。其次，所有有效站點3個頻點的多路徑誤差均值分別為1.02 m、0.85 m、0.76 m。

圖6 IGS站點多路徑誤差直方圖

2.3 信噪比分析

最后進行北斗3個頻點信噪比的統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖7所示。觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)，信噪比觀測值數(shù)量與表3的規(guī)律一致，說明所有IGS站點都能采集有效頻點的信噪比觀測值。

圖7 IGS站點信噪比均值

從信噪比的分布規(guī)律來看，可以發(fā)現(xiàn)不同站點之間信噪比的差值較小，3個頻點信噪比的最大值、最小值和均值如表4所示。

表4 3個頻點信噪比 dB/Hz

由表4可知，在北斗的3個頻點信號中，B2頻點的信噪比均值最大，信號強度最好，B1頻點的信號在IGS全球站點中最穩(wěn)定，B3頻點的信號強度較大，但是信號強度并不穩(wěn)定。

3 北斗三代IGS站點的使用

最后文中利用下載的數(shù)據(jù)，進行全球IGS站點北斗三代數(shù)據(jù)采集情況的統(tǒng)計。北斗三代分兩個階段建設(shè)完成，一是試驗階段，衛(wèi)星發(fā)射時間為2015年3月30日至2016年2月1日，PRN號為C31、C56、C57、C58；二是建設(shè)階段，衛(wèi)星發(fā)射時間為2017年11月5日至2020年6月23日，PRN號為C19-C30、C32-C46、C59-C61。

北斗三代致力于建設(shè)全球定位導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，因為北斗三代的衛(wèi)星主要是MEO衛(wèi)星，包含試驗階段的4顆衛(wèi)星，整個北斗三代總共有34顆衛(wèi)星，由3顆GEO衛(wèi)星(C59-C61)、5顆IGSO衛(wèi)星(C31、C38-C40、C56)和26顆MEO衛(wèi)星組成。

此外，北斗三代衛(wèi)星信號的頻率組成也發(fā)生變化，與除了兼容表1中的全部頻點(將原B1改為B1-2，Rinex識別為C2t、L2t、D2t和S2t)，新增加B1、B2a、B2信號，并對原B2信號增加新的編碼。目前，Rinex 3.04中，北斗信號的數(shù)據(jù)信息如表5所示。

表5 Rinex 3.04的BDS數(shù)據(jù)信息

統(tǒng)計之前下載的站點數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：可接收北斗二代的站點除CAS1，HRAG，ONS1，TWTF和USN9站外，均可采集北斗三代的數(shù)據(jù)，其中可采集到北斗三代新信號的站點有64個，可采集到北斗全部信號的站點有28個。

4 結(jié) 論

文中介紹BDS的建設(shè)進展與IGS全球站點的分布情況，并將IGS全球站點按照能否接受BDS信號進行區(qū)分，之后從數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差和信噪比3個方面對全球222個IGS站點的BDS數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，并對上述站點的各項指標(biāo)進行分析，得到BDS二代衛(wèi)星全球應(yīng)用的部分規(guī)律，同時對IGS站點北斗三代的觀測情況進行研究。

通過文中的研究，可以發(fā)現(xiàn)：①85.2%的東半球IGS站點可以接收到BDS數(shù)據(jù)，59.1%的西半球IGS站點可以接收到BDS數(shù)據(jù)；②222個可接收BDS信號的站點可以接收B1信號的有222個，可接收B2信號的有221個，可接收B3信號的有165個；③可接收BDS信號的站點多路徑誤差分布有明顯區(qū)別，3個頻點的多路徑誤差均值分別為1.02m、0.85m、0.76m；④BDS 3個頻點中，B1信號最為穩(wěn)定，B3信號穩(wěn)定性最差，B2信號強度最大。⑤目前IGS站點中可觀測到北斗三代新信號的站點較少，本次實驗的302個站點中僅64個站點可采集。