郭曉松 王克志 張樹(shù)強(qiáng) 陳亮 李玉柱

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081）

（2.中國(guó)人民解放軍93160 部隊(duì) 河北省石家莊市 050002）

1 引言

伴隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，導(dǎo)航定位技術(shù)在測(cè)量、軍事、交通運(yùn)輸、大氣監(jiān)測(cè)等許多科研、生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用端，數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)受到多種因素的影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響用戶實(shí)時(shí)定位、事后結(jié)果分析的可靠性和精度。并且隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品類別細(xì)化，但是用戶設(shè)備的性能卻不盡相同，所以接收機(jī)性能測(cè)試評(píng)估技術(shù)成為衛(wèi)星定位領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前常用的GNSS 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件有BNC（BKG Ntrip Client）、TEQC（Translation Editing and Quality Checking）和ANUBIS。BNK 軟件是基于QT 框架開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件，但是不支持BDS 衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。TEQC 軟件只能兼容RINEX 2.X 格式的觀測(cè)數(shù)據(jù)，隨著RINEX 3.X 格式觀測(cè)數(shù)據(jù)成為主流，TEQC 軟件難以用于BDS-3 衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。ANUBIS 軟件能夠?qū)崿F(xiàn)所有衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)分析，同時(shí)支持RINEX 3.X 格式觀測(cè)數(shù)據(jù)，且具備可視化功能。

為了解決監(jiān)測(cè)接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的多頻多系統(tǒng)覆蓋，本文研制一種多頻多系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件，該軟件實(shí)現(xiàn)GPSBDSGalileoGLONASS 的全頻點(diǎn)覆蓋、同時(shí)支持RINEX 3.X、監(jiān)測(cè)接收機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式兩種數(shù)據(jù)格式，并具備多頻多系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)分析功能。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

2.1 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率指的是監(jiān)測(cè)接收機(jī)觀測(cè)到的衛(wèi)星某頻點(diǎn)上的實(shí)際觀測(cè)歷元數(shù)與理論觀測(cè)數(shù)據(jù)歷元數(shù)的比值。在實(shí)際觀測(cè)環(huán)境下，由于接收機(jī)內(nèi)部問(wèn)題、觀測(cè)環(huán)境遮擋等因素，導(dǎo)致信號(hào)失鎖，使得數(shù)據(jù)完整率低于100%。

監(jiān)測(cè)接收機(jī)捕獲的某顆衛(wèi)星單頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)完整率可以表達(dá)為：

式中：DI為單頻點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率，%； n 為觀測(cè)期間衛(wèi)星觀測(cè)總數(shù)；A為觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，第j 顆衛(wèi)星在某頻點(diǎn)的實(shí)際觀測(cè)歷元總數(shù)；B為觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，第j 顆衛(wèi)星在某頻點(diǎn)的理論觀測(cè)歷元總數(shù)；DI為表示單系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率，%；C為觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，第j 顆衛(wèi)星所有頻點(diǎn)的有效觀測(cè)歷元總數(shù)；D為觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，第j 顆衛(wèi)星的理論歷元總數(shù)。

2.2 偽距噪聲

偽距噪聲是指由 GNSS 接收機(jī)偽距噪聲、未剔除干凈的對(duì)流層和電離層延遲誤差以及未被模型化的軌道誤差和鐘差殘差等引起的偽距測(cè)距誤差。不同監(jiān)測(cè)接收機(jī)獲取的偽距觀測(cè)值的噪聲水平也并不一致，目前常規(guī)分析方法是基于單站觀測(cè)數(shù)據(jù)直接計(jì)算，主要采用歷元間三次差法，主要步驟如下所示。

第一步：計(jì)算各衛(wèi)星某頻點(diǎn)偽距觀測(cè)值的歷元間三次差，即：

2.3 載波相位噪聲

載波相位噪聲與偽距噪聲具備類似特性，不過(guò)載波相位噪聲相比于偽距噪聲要小很多。載波相位噪聲評(píng)估基于單站觀測(cè)數(shù)據(jù)，采取歷元間三次差方法進(jìn)行評(píng)估，主要步驟如下：

第一步：計(jì)算各衛(wèi)星某頻點(diǎn)載波相位觀測(cè)值的歷元間三次差，即：

式子中：φ 為某顆衛(wèi)星某頻點(diǎn)的載波相位觀測(cè)值。

第二步：計(jì)算某顆衛(wèi)星的載波相位三次差均值及方差，即：

2.4 偽距多路徑

多路徑是GNSS 觀測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估的重要指標(biāo)之一。通常使用多路徑組合觀測(cè)值對(duì)偽距多路徑及其噪聲進(jìn)行評(píng)估，多路徑組合觀測(cè)值可以表達(dá)為：

式子中：MP表示頻點(diǎn)j 上的偽距多路徑和噪聲之和；P表示頻點(diǎn)j 上的偽距觀測(cè)值；φ和φ分別表示頻點(diǎn)j、頻點(diǎn)i 上的載波相位觀測(cè)值；λ和λ分別表示頻點(diǎn)j、頻點(diǎn)i 上的載波相位觀測(cè)值波長(zhǎng)；f和f分別表示頻點(diǎn)j、頻點(diǎn)i 上的載波相位觀測(cè)值頻率；C表示模糊度項(xiàng)和硬件延遲的組合。在不發(fā)生周跳的情況下，C為常數(shù)項(xiàng)。

2.5 周跳比

在載波相位測(cè)量中，由于接收機(jī)跟蹤衛(wèi)星的過(guò)程中衛(wèi)星信號(hào)失鎖、信號(hào)干擾、低信噪比和接收機(jī)高速運(yùn)動(dòng)等原因會(huì)在載波相位測(cè)量值中引入一個(gè)突然的整周跳變，這就是周跳。通過(guò)計(jì)算周跳歷元數(shù)與實(shí)際觀測(cè)歷元個(gè)數(shù)的比值，即周跳比。

利用電離層殘差法（GF 法）和寬巷相位減窄巷偽距法（MW 組合法）的組合探測(cè)法，即TurboEdit 方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)周跳的探測(cè)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

GNSS 多頻多系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件基于C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，軟件的整體流程設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1： GNSS 多頻多系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件功能流程圖

軟件主要包括四個(gè)模塊，分別為：數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模塊、MP 序列結(jié)果展示模塊和報(bào)表導(dǎo)出模塊。數(shù)據(jù)讀取模塊兼容RINEX 2.X、RINEX 3.X 和監(jiān)測(cè)接收機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)三個(gè)數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模塊包括質(zhì)量分析參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)完整率、偽距噪聲、載波相位噪聲、周跳比和偽距多路徑分析功能；MP 序列實(shí)現(xiàn)各衛(wèi)星不同頻點(diǎn)組合MP 序列繪制展示；報(bào)表導(dǎo)出模塊實(shí)現(xiàn)GPSBDSGalileoGLONASS 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果輸出。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果

通過(guò)中國(guó)電科54 所研制的GNSS 監(jiān)測(cè)接收機(jī)為例給出偽距測(cè)量精度、載波相位測(cè)量精度、偽距多路徑、數(shù)據(jù)完整率和周跳比測(cè)試結(jié)果。測(cè)試場(chǎng)景為對(duì)天測(cè)試，數(shù)據(jù)時(shí)間為24 小時(shí)，采樣率1Hz。

3.2.1 偽距精度統(tǒng)計(jì)

圖2、圖3 分別為BDS-2 衛(wèi)星的B1IB2IB3I 頻點(diǎn)偽距測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)圖和BDS-3 衛(wèi)星的B1IB1CB2aB2bB3I 頻點(diǎn)偽距測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)圖。

圖2： BDS-2 偽距噪聲統(tǒng)計(jì)直方圖

圖3： BDS-3 偽距噪聲統(tǒng)計(jì)直方圖

圖2 可以看出該監(jiān)測(cè)接收機(jī)的B1I 偽距測(cè)量精度約為5.4cm、B2I 偽距測(cè)量精度約為3.5cm、B3I 偽距測(cè)量精度約為1.5cm。圖3 可以看出該監(jiān)測(cè)接收機(jī)的B1I 偽距測(cè)量精度約為4.1cm、B1C 偽距測(cè)量精度約為4.2cm、B2a 偽距測(cè)量精度約為1.9cm、B2b 偽距測(cè)量精度約為1.7cm、B3I 偽距測(cè)量精度約為1.4cm。

3.2.2 載波相位精度統(tǒng)計(jì)

圖4、圖5 分別為BDS-2 衛(wèi)星B1IB2IB3I 頻點(diǎn)載波相位測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)直方圖和BDS-3 衛(wèi)星B1IB1CB2aB2bB3I頻點(diǎn)載波相位測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)直方圖。

圖4： BDS-2 載波相位噪聲統(tǒng)計(jì)直方圖

圖5： BDS-3 載波相位噪聲統(tǒng)計(jì)直方圖

圖4 可以看出該監(jiān)測(cè)接收機(jī)的B1I 載波相位測(cè)量精度約為0.0057 周、B2I 載波相位測(cè)量精度約為0.0055 周、B3I 載波相位測(cè)量精度約為0.0056 周。圖5 可以看出該監(jiān)測(cè)接收機(jī)的B1I 載波相位測(cè)量精度約為0.0054 周、B1C 載波相位測(cè)量精度約為0.0055 周、B2a 載波相位測(cè)量精度約為0.005周、B2b 載波相位測(cè)量精度約為0.0051 周、B3I 載波相位測(cè)量精度約為0.0051 周。

3.2.3 偽距多路徑統(tǒng)計(jì)

圖6 和圖7 分別為BDS C01 衛(wèi)星和C06 衛(wèi)星在B1I-B2I頻點(diǎn)組合下的原始MP 序列。BDS GEO 衛(wèi)星在攝動(dòng)力的影響下，偽距多路徑序列會(huì)呈現(xiàn)低頻波動(dòng)現(xiàn)象。C01 衛(wèi)星在B1I、B2I 上的MP 精度分別為0.675m、0.531m；C16 衛(wèi)星在B1I、B2I 上的MP 精度分別為0.501m 、0.416m。

圖6： C01 偽距多路徑序列

圖7： C16 偽距多路徑序列

表1 為四系統(tǒng)某顆衛(wèi)星多頻點(diǎn)上的偽距多路徑精度統(tǒng)計(jì)表?？梢钥闯霰O(jiān)測(cè)接收機(jī)抗多徑算法能保證誤差在0.7m 以內(nèi)。

表1： GPSBDSGalileoGLONASS 衛(wèi)星偽距多路徑統(tǒng)計(jì)表

3.2.4 數(shù)據(jù)完整率

表2 為GPSBDSGalileoGLONASS 四個(gè)系統(tǒng)某顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)表?？梢钥闯鲈摫O(jiān)測(cè)接收機(jī)信號(hào)鎖定能力較好，最低數(shù)據(jù)完整率約為98%。

表2： GPSBDSGalileoGLONASS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)表

3.2.5 周跳比

表3 為GPSBDSGalileoGLONASS 四個(gè)系統(tǒng)某顆衛(wèi)星周跳比統(tǒng)計(jì)表。可以看出該監(jiān)測(cè)接收機(jī)信號(hào)鎖定能力較好，在24 小時(shí)對(duì)天測(cè)試試驗(yàn)下，周跳個(gè)數(shù)約為0.3 個(gè)/小時(shí)。

表3： GPSBDSGalileoGLONASS 衛(wèi)星周跳比統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展，地面運(yùn)控系統(tǒng)逐步增多，即監(jiān)測(cè)站、CORS 站會(huì)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。監(jiān)測(cè)接收機(jī)的測(cè)試評(píng)估工作是檢驗(yàn)接收機(jī)性能好壞的關(guān)鍵，本文通過(guò)接收機(jī)的數(shù)據(jù)完整率、周跳比、偽距噪聲、載波相位噪聲和偽距多路徑幾個(gè)維度進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該監(jiān)測(cè)接收機(jī)的偽距噪聲約為0.5m，載波相位噪聲約為0.005 周、偽距多路徑MP 值精度約為0.55m，且具備較好的信號(hào)鎖定能力。本文只對(duì)接收機(jī)性能進(jìn)行了初步評(píng)測(cè)，為了完善測(cè)試體系，需進(jìn)一步開(kāi)展其余性能指標(biāo)測(cè)試工作。