BDS/GPS/GLONASS兼容的CORS站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與評(píng)定

黃穎

摘 要：隨著北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BDS）的逐步建立和發(fā)展，我國(guó)的CORS站點(diǎn)需要逐步升級(jí)兼容BDS系統(tǒng)，升級(jí)后需要對(duì)CORS站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析和評(píng)定。本文分析了BDS/GPS/GLONASS兼容的CORS站觀測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)定。詳細(xì)介紹了多星座觀測(cè)數(shù)據(jù)多路徑計(jì)算方法，并以長(zhǎng)沙CORS中大瑤、花明樓兩個(gè)多星座基準(zhǔn)站為例，利用TEQC軟件對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)單GPS及GPS加BDS雙系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)定。結(jié)果表明，大瑤站與花明樓站的多系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)比單系統(tǒng)的減小了35%-55%，最大為0.054m，可見衛(wèi)星數(shù)增加了一倍多，雙系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的DOP值可以穩(wěn)定保持在1～2，數(shù)據(jù)利用率為100%，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。升級(jí)后兼容BDS的多系統(tǒng)基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的質(zhì)量以及穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)沙CORS；TEQC；北斗；質(zhì)量分析

0 引言

長(zhǎng)沙市統(tǒng)一連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（ChangSha Continuously Operating Reference Stations， CSCORS）是長(zhǎng)沙市國(guó)土資源的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，是支撐土地調(diào)查、構(gòu)建國(guó)土資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新機(jī)制、土地利用變更調(diào)查、土地開發(fā)整理、基本農(nóng)田保護(hù)、土地利用執(zhí)法檢查、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警等業(yè)務(wù)順利開展的重要技術(shù)手段，可分別為用戶提供米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)服務(wù)。該系統(tǒng)與土地批、供、用、補(bǔ)、查等日常管理業(yè)務(wù)建立有機(jī)銜接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了用地、管地業(yè)務(wù)自動(dòng)化，從技術(shù)上降低或杜絕了土地管理上人為因素導(dǎo)致的違法、違規(guī)行為，為長(zhǎng)沙市土地資源利用和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了一種有利保障，社會(huì)效益顯著。

隨著北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Beidou Navigation System， BDS）的逐步建立和完善，北斗兼容GPS/GLONASS的多頻多模技術(shù)大大提高了CORS的實(shí)時(shí)性、安全性、空間可用性、時(shí)間可用性和可靠性等性能指標(biāo)。長(zhǎng)沙市在一期連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)大瑤（Dayao）以及花明樓（Huaminglou）兩臺(tái)基準(zhǔn)站設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，升級(jí)后的基準(zhǔn)站設(shè)備支持北斗、GPS以及GLONASS。

本文詳細(xì)介紹了TEQC中多路徑效應(yīng)的計(jì)算方法，并選取CSCORS中大瑤和花明樓兩個(gè)站點(diǎn)的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用TEQC軟件來(lái)分析和對(duì)比升級(jí)前后站點(diǎn)數(shù)據(jù)的一些性能指標(biāo)，論證并給出CSCORS基準(zhǔn)站升級(jí)后的總體數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，對(duì)提高北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)在長(zhǎng)沙市的工程化應(yīng)用水平具有重要意義[ 1-2 ]。

1 分析評(píng)價(jià)內(nèi)容及方法

根據(jù)有關(guān)規(guī)范及CORS系統(tǒng)服務(wù)的實(shí)際要求，CORS站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)主要包括導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)空可用性、數(shù)據(jù)完好性、多路徑（MP1/MP2）、信噪比和數(shù)據(jù)利用率。通常采用TEQC軟件進(jìn)行分析，其中多路徑是重點(diǎn)分析內(nèi)容。

1.1 TEQC軟件簡(jiǎn)介

TEQC（Translation，Editing and Quality Checking）軟件是一款簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)大的GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，由UNAVCO Facility（美國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測(cè)研究大學(xué)聯(lián)合體）研制，可對(duì)GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、文件編輯和質(zhì)量檢核，本文所用的版本日期為2013年3月15號(hào)[ 3-6 ]。

TEQC是一個(gè)命令行運(yùn)行軟件，在DOS/Windows DOS環(huán)境下運(yùn)行。對(duì)于接收到的原始數(shù)據(jù)，首先通過(guò)自編的解碼軟件分別解出單GPS的觀測(cè)文件（O文件）、導(dǎo)航文件（N文件）和GPS+BDS的觀測(cè)文件（O文件）、導(dǎo)航文件（N文件、C文件），再分別用TEQC進(jìn)行質(zhì)量檢核。

TEQC質(zhì)量檢核有2種模式：lite模式和full模式。Lite模式只需要O文件，以TEQC.exe軟件和文件都放在電腦D盤根目錄下為例，命令為：

D：

cd D：＼

teqc +qc D：＼HMIN2480.13o

上面每行結(jié)束后都需要敲回車鍵，且其中的標(biāo)點(diǎn)都是英文狀態(tài)下的，且需要有空格的地方不能缺少空格。

運(yùn)行結(jié)束后將生成7個(gè)文件x.yearS，x.ion，x.iod，x.mp1，x.mp2，x.sn1，x.sn2。其中x為文件名，year是表示文件的年份。

full模式需要O文件和導(dǎo)航文件。若O文件和導(dǎo)航文件在同一目錄下，命令和lite模式下的命令一樣，此時(shí)TEQC會(huì)自動(dòng)尋找導(dǎo)航文件。此模式下將生成9個(gè)文件，除上面提到的7個(gè)文件還增加了衛(wèi)星和接收機(jī)天線的位置信息以及x.azi，x.ele這兩個(gè)文件。

其中x.yearS是分析結(jié)果匯總文件；x.ion是L1/L2電離層延遲；x.iod是電離層延遲的變化率；x.mp1是L1載波上的C/A碼或P碼的多路徑觀測(cè)誤差；x.mp2是L2載波上的P碼多路徑觀測(cè)誤差；x.sn1是L1觀測(cè)值的信噪比；x.sn2是L2觀測(cè)值的信噪比；x.azi是衛(wèi)星方位角；x.ele是衛(wèi)星高度角。

參考站的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析主要由四部分組成：多路徑誤差分析（MP1、MP2）、數(shù)據(jù)利用率、信噪比（SN1、SN2）、觀測(cè)值和周跳比值（o/slps）。數(shù)據(jù)利用率為Possible/Complete obs的比值，即預(yù)期歷元數(shù)與實(shí)際歷元數(shù)比值；o/slps為實(shí)際歷元數(shù)與周跳數(shù)的比值，有時(shí)也用CRS=1000/o/slps表示；多路徑誤差直接反映了站點(diǎn)周圍的環(huán)境質(zhì)量，S文件中對(duì)多路徑誤差分析較為詳細(xì)。其中，數(shù)據(jù)利用率只有在full模式下才可以計(jì)算得出。

1.2 多路徑誤差計(jì)算方法

兩個(gè)頻率上的偽距觀測(cè)值多路徑效應(yīng)通常可以通過(guò)偽距和載波相位觀測(cè)值的線性組合分別求得，其計(jì)算公式如下[7-8]：

上式中，、分別表示北斗、波段上的偽距和載波相位觀測(cè)值的多路徑效應(yīng)組合；為偽距觀測(cè)值；為載波相位觀測(cè)值（單位m）；為觀測(cè)噪聲；為偽距觀測(cè)值的多路徑效應(yīng)；為載波相位觀測(cè)值的多路徑效應(yīng)；為整周模糊度；，為載波相位觀測(cè)值的頻率；為載波相位觀測(cè)值的波長(zhǎng)。

如果沒(méi)有周跳發(fā)生，則是常量，因?yàn)椤⑦h(yuǎn)遠(yuǎn)小于、，所以、主要反映了偽距多路徑效應(yīng)的影響。偽距多路徑效應(yīng)可以通過(guò)對(duì)和求標(biāo)準(zhǔn)差（STD）來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

多路徑效應(yīng)值是通過(guò)各歷元的、值減去、均值得到的，而、均值是通過(guò)5min內(nèi)各歷元的、值求平均獲得的。但當(dāng)有周跳發(fā)生時(shí)、均值要從發(fā)生周跳的歷元重新開始計(jì)算[9-10]。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

在升級(jí)后的CSCORS系統(tǒng)中選取了大瑤和花明樓兩個(gè)CORS站點(diǎn)，分別接收了一整天的數(shù)據(jù)，采樣率為1s的原始數(shù)據(jù)，采用自編的解碼軟件解出單GPS觀測(cè)文件，GPS+BDS觀測(cè)文件，導(dǎo)航文件。

比較花明樓站點(diǎn)單天衛(wèi)星數(shù)變化，詳情見下圖：

從圖1可以看出，花明樓站的觀測(cè)環(huán)境較優(yōu)，大部分時(shí)間內(nèi)GPS衛(wèi)星數(shù)都在7顆以上，BDS衛(wèi)星數(shù)都在8顆以上，同時(shí)由于BDS系統(tǒng)本身星座結(jié)構(gòu)，其衛(wèi)星數(shù)變化較為緩慢，相比較GPS和BDS系統(tǒng)，GLONASS其衛(wèi)星數(shù)部分時(shí)段僅為5顆。

DOP值直觀反映了所觀測(cè)的衛(wèi)星的幾何位置與空間分布情況。通過(guò)計(jì)算其DOP值，來(lái)反應(yīng)各星座的構(gòu)型，對(duì)各星座DOP值進(jìn)行比較，結(jié)果如下：

從圖2花明樓站DOP值圖可以看出，單GPS系統(tǒng)的DOP值在3-6之間；單BDS系統(tǒng)的DOP值在兩個(gè)時(shí)刻發(fā)生了突跳，是由于BDS衛(wèi)星都分布在北半球，造成衛(wèi)星星空?qǐng)D結(jié)構(gòu)不佳，且當(dāng)時(shí)沒(méi)有觀測(cè)到GEO衛(wèi)星，從而DOP值突跳。但GPS+BDS雙系統(tǒng)結(jié)合后的DOP值都在2以下，可見在單GPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入BDS系統(tǒng)后可觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)增多，從而改善了星空?qǐng)D分布，減小了DOP值。

采用TEQC軟件的full模式分析解碼軟件解出的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1和表2。

從表1和表2的TEQC分析結(jié)果中可以得到以下結(jié)論：

（1）MP1/MP2表征了L1和L2頻段多路徑誤差的影響。一般來(lái)說(shuō)，MP1和MP2分別小于0.35和0.45時(shí)，多路徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。兩個(gè)站升級(jí)后的MP1分別為0.054和0.050，MP2分別為0.037和0.042，結(jié)果表明CSCORS基準(zhǔn)站的觀測(cè)環(huán)境較好，升級(jí)后多系統(tǒng)的多路徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行影響較小。

（2）SN1/SN2表示L1和L2觀測(cè)值的信噪比，設(shè)備/數(shù)據(jù)的信噪比越高表明它產(chǎn)生的噪聲越少。一般來(lái)說(shuō)，信噪比越大，信號(hào)受外界噪聲因素影響較低。在CSCORS多星座基準(zhǔn)站點(diǎn)中，信噪比SN1>40，是SN2>35，達(dá)到基準(zhǔn)站建設(shè)要求。

（3）觀測(cè)值與周跳比值（obs/slip）表征了基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，其值越大，說(shuō)明周跳越少。上述數(shù)據(jù)結(jié)果表明CSCORS基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)接收較穩(wěn)定，受到衛(wèi)星失鎖、信號(hào)中斷等情況的影響較小。；

（4）數(shù)據(jù)利用率表征了基準(zhǔn)站有效觀測(cè)值的多少，利用率越高，說(shuō)明基準(zhǔn)站觀測(cè)環(huán)境越好，數(shù)據(jù)質(zhì)量越高。CSCORS多星座基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)利用率均為100%，有效觀測(cè)值多，觀測(cè)環(huán)境好，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，無(wú)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

綜上所述，可見CSCORS一期站點(diǎn)附近沒(méi)有大型的反射平面，多路徑效應(yīng)較小，觀測(cè)環(huán)境較為理想，觀測(cè)到衛(wèi)星數(shù)較多，數(shù)據(jù)質(zhì)量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，可被充分利用。在進(jìn)行基站設(shè)備二期升級(jí)，加入BDS系統(tǒng)后，可見衛(wèi)星數(shù)增多了一倍有余，DOP值保持在1～2之間，多路徑效應(yīng)影響較小，數(shù)據(jù)利用率高，對(duì)由于觀測(cè)環(huán)境（如遮擋、信號(hào)干擾等）造成的可用衛(wèi)星過(guò)少造成的無(wú)法精確定位問(wèn)題進(jìn)行了有效改善，時(shí)效性、安全性定位精度以及可靠性將大大提高。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了TEQC軟件的使用及其多路徑效應(yīng)計(jì)算方法。通過(guò)利用TEQC軟件對(duì)CSCORS升級(jí)后的兩個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了單GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)和GPS+BDS數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析，從分析結(jié)果可以看出CSCORS站點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足當(dāng)初設(shè)計(jì)CORS網(wǎng)的要求，在高度角在10°以上的觀測(cè)量中有效觀測(cè)量均為100%，偽距觀測(cè)質(zhì)量MP1和MP2均小于0.1m，信噪比較大，受到衛(wèi)星失鎖、信號(hào)中斷等情況很少，周跳很少，衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量高。CSCORS二期工程升級(jí)加入BDS系統(tǒng)這些指標(biāo)有進(jìn)一步的提高，多路徑值減小了35%-55%，最大為0.054m，可見衛(wèi)星數(shù)增了一倍多，DOP值減小到2以下。可以預(yù)見，長(zhǎng)沙三系統(tǒng)多模多頻CORS網(wǎng)將為長(zhǎng)沙市陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)提供了穩(wěn)定、連續(xù)、高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

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