國產北斗接收機質量分析與發展現狀

潘國富，鮑志雄，譚羽安

（廣州中海達衛星導航技術股份有限公司，廣州 511400）

1 引言

2012年中國北斗衛星導航系統（BeiDou satellite navigation system，BDS）空間接口控制文件（interface control document，ICD）公布，再次引發了國內外北斗接收機的研制熱潮，業內不同廠家分別上市了測量級和導航級的北斗芯片或終端設備。北斗系統的上線引發了一系列相關軟件的算法升級，包括單點定位（single point positioning，SPP）、靜態后處理軟件、實時動態差分（real－time kinematic，RTK）、精密單點定位（precise point positioning，PPP）。這些算法升級的基礎需要對BDS的信號質量進行檢查分析，同時也需要對北斗接收機的信號質量進行分析。

本文將介紹自主研發的BDS衛星數據質量分析軟件的指標概念及計算方法，利用自主開發的軟件對國內外典型的接收機數據樣本進行分析與對比，從而評估國產接收機的發展狀況。

2 北斗接收機數據質量分析軟件的研制

美國衛星導航系統與地殼形變觀測研究大學組織（UNAVCO）開發的全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）數據預處理軟件（translation，editing and quality checking，TEQC）是測繪領域專業人士普遍使用的對GPS/GLONASS衛星數據進行質量檢查的工具軟件［1］，該軟件主要從數據完整性、多路徑干擾、跳變比、以及電離層延遲跳變這四個指標來評判接收機數據質量。國外一些接收機廠家也開發了專門的質量分析軟件，商品化程度較高，但是使用上有限制。因此有必要自主研發一款BDS數據質量分析軟件。

一般來說，接收機的數據質量指標可以體現在數據完整性、多路徑干擾、電離層影響幾個方面，下面將一一介紹。

2.1 數據完整性

數據完整性指標反映測段中數據的可用性與完好性，數據完整性不僅體現了接收機的優劣，同時也反映了觀測環境的好壞。

將數據完整性記為dataIntegrity，其定義為式中，P為理論上可能的觀測值數量，C為合格觀測值的數量。

所謂合格觀測值定義為：某個歷元的一顆星觀測值同時具有P1或者C/A碼數據、P2或者C2碼數據、L1和L2載波相位數據，同時，L1和L2的SNR大于或等于指定的最小值。

如果某顆衛星在某歷元有觀測值，但由于不滿足完整觀測值的定義，應予以刪除，其數量記為D；衛星高度角在截止高度角以上，但卻沒有觀測數據，即該顆衛星失鎖了，其數量記為M；另外，接收機可能會出現丟失歷元的情況，把丟失歷元觀測量數目記為E，這些量滿足

影響到數據的完整性原因有多種，如障礙物遮擋、干擾、衛星失鎖、接收機內部問題或者是通信崩潰［2］。

2.2 多路徑干擾

多路徑干擾指標（Multipath，MP）主要受觀測環境影響，同時接收機內部工作機理與多路徑效應的產生是密不可分的［3］，因此，對多路徑效應的抑制性能也成了衡量接收機質量的一個指標。多路徑效應存在周期性，同時具有隨機噪聲的特征，因為它與噪聲無法完全區分開，因此本文說的多路徑干擾包含了多路徑效應與噪聲。

根據文獻 ［4］，多路徑效應對偽距測量的影響要嚴重得多，因此本文不考慮相位觀測多路徑效應，偽距測量觀測方程和載波相位測量觀測方程可寫為

式中，A＝40.3∫sNedS，Ne為電子密度，dS為距離變化量，ρ是衛星至接收機的距離與所有與頻率無關的偏差改正項之和，ρCA、ρP1、ρP2是偽距觀測值，φ1、φ2是雙頻載波相位觀測值，MP1、MP2是雙頻偽距多路徑效應，εCA、εP1、εP2分別為CA碼、P1碼、P2碼的噪聲，f1、f2分別是L1載波和L2載波頻率，N1、N2分別是L1與L2相位觀測值的整周模糊度。

由式（3）可以推導出多路徑與噪聲的計算方程為

式中，ρL1、ρL2是雙頻載波相位觀測距離，BCA、BP1、BP2為

式中，λ1、λ2是波長。

在不發生周跳和鐘跳的情況下，BCA、BP1、BP2為固定值，可見求出多路徑的真實量需要先求出整周模糊度，由于整周模糊度的確定計算量較大，可以采用求差方法消除模糊度的影響并且不影響多路徑值的均方根（root mean square，RMS）特征提取：由于目前典型的接收機都滿足硬件延遲具有總體的線性特性，相干或非相干跟蹤DLL具有零對稱性［5］，因此，計算偽距的多路徑值可考慮使用移動平均法［6］。

2.3 多路徑跳變比

跳變比（observations per slip，O/Slps）顯示出數據發生跳變的頻率，在MP序列中，嚴重偏離群體的異常值稱為多路徑跳變（Slips），由于 MP的計算公式使用了偽距、L1、L2觀測值，這些值的跳變都會引起MP的跳變，因此多路徑系列的跳變也反映了相位觀測值上的周跳與偽距距觀測值的多路徑影響［7］。判定是否存在跳變需要閾值，閾值確定方法為

其中，sThreshold為閾值，eRms為 MP序列的期望均方根，RMS為MP序列的實際均方根，factor為跳變探測的敏感系數。

在移動平滑過程中，記錄前N個歷元MP的均方根RMS與平均值（記為floatmean），當前歷元的MP變化值（記為residual）為

如果residual大于slipThreshold，則當前歷元被判定為多路徑跳變，即

當發生跳變后，本文使用了一個簡單但有效的處理方法：用當前歷元的絕對多路徑值覆蓋窗口中所有歷元的絕對多路徑值，使用這些新值進行下一個歷元的計算。

2.4 電離層延遲跳變

根據文獻 ［5］推導的電離層延遲跳變（ionospheric delay slips，IOD slips）理論，兩個頻率的電離層延遲之間存在關系

假設兩個頻率的載波在對流層中的傳播路徑相同，則有

定義電離層變化率為

定義abIon為絕對電離層延遲量，即根據公式（7）及式（8）計算出來的電離層延遲，reIon為參考電離層延遲量，deltaT為前后兩個歷元間的時間間隔，ion為相對電離層延遲量，iod為電離層變化率，它們之間的關系為

電離層跳變的判定條件

對于參考延遲量reIon的確定，本文經過試驗確定了一個可靠的方法：首先選取第一個歷元的絕對電離層延遲量作為reIon，當發生跳變后，reIon就被設置為跳變歷元的絕對電離層延遲量，當發生數據缺口時，reIon被置為當前歷元的絕對電離層延遲量。

3 接收機數據樣本分析

3.1 實時動態差分接收機對比

本文選擇了三種在市場上具有代表性的RTK接收機進行對比。包括中海達V30接收機、國外某著名廠家最新RTK接收機（以下簡稱X10）、海星達H32接收機。其中X10主機代表了業內最高制造水平。

測試于2013－08－08在廣州番禺天安科技園內進行，靜態采樣間隔1s，連續采集了5h后導出靜態數據進行數據格式轉換及分析。

本文分別分析單GPS和單BDS的數據質量，并分別進行高度截止角為10°和15°的分析。結果如表1～表4所示。

表1 三種RTK測量接收機質檢結果比較（10°截止角，單 GPS）

表2 三種RTK測量接收機質檢結果比較（10°截止角，單BDS）

表3 三種RTK測量接收機質檢結果比較（15°截止角，單 GPS）

表4 三種RTK測量接收機質檢結果比較（15°截止角，單BDS）

從表1～表4可以看出：

1）國產V30和H32接收機的單GPS數據質量沒有明顯區別，原因是這兩款接收機使用了相同的OEM主板。

2）BDS信號比GPS信號在多路徑和有效率兩個指標上質量更高，原因可能是BDS B1/B2信號要比GPS L1/L2信號更加容易捕獲解調。

3）BDS和GPS系統均表現出15°以上衛星要比10°以上的衛星數據質量更高，說明10～15°的衛星信號質量相對難以捕獲，質量相對較低。

4）進口的X10接收機的單GPS數據質量與國產接收機沒有明顯區別，原因是這兩款國產接收機使用了同一的OEM主板。

以上測試過程避免了點位環境，天氣條件，可見衛星的不同導致的質量差異，可以一定反映出接收機的相對質量水平。

3.2 大地測量型接收機對比

文本從實際建成的多個連續運行衛星定位服務綜合系統（continuous operational reference system，CORS）中收集到了三種市場上具有代表性的大地測量型接收機數據樣本進行對比分析。分別是中海達VNet6三星接收機、國外某著名廠家最新基站型接收機（以下簡稱X9）、和芯星通UB370接收機。

數據采集地點分別位于不同地點，于不同時間采集，采樣間隔為30s，采樣時間24h。由于大地測量型接收機一般安裝在觀測條件較好的位置并且使用扼流圈天線，因此一定程度上可以忽略地理環境不同造成的影響。

本文分別分析單GPS和單BDS的數據質量，并分別進行高度截止角為10°和15°的分析。結果如表5～表8所示。

表5 三種大地測量型接收機質檢結果比較（10°截止角，單 GPS）

表6 三種大地測量型接收機質檢結果比較（10°截止角，單BDS）

表7 三種大地測量型接收機質檢結果比較（15°截止角，單 GPS）

表8 三種大地測量型接收機質檢結果比較（15°截止角，單BDS）

從表5～表8可以看出：

1）對GPS信號，VNet6接收機信號質量最好，各種指標均為最佳。

2）進口的X9接收機各項指標均弱于國產接收機，這可能是由于天線匹配和地域因素造成的。

3）以進口的X9接收機作為標桿，國產VNet6接收機完全滿足大地測量型接收機的技術指標要求。

4 結束語

本文概述了GPS及分析BDS數據質量的指標計算方法，經過大量實際數據樣本的驗證，自主軟件計算出的結果與TEQC軟件結果一致性較好，數據完整性、跳變比、電離層延遲跳變三個指標已經與TEQC軟件一致，多路徑效應指標也達到了90%的相似水平。運用本文算法對RTK型接收機及大地測量型接收機數據質量進行了對比分析，實際結果表明：

1）一般觀測環境下，國產接收機在接收BDS信號方面的能力已經達到國外廠家的水準。

2）國產接收機在接收低仰角GPS L2信號的能力上還需要進一步提高。

本文相關算法已集成到中海達靜態數據處理軟件HGO中，運用到了國產衛星接收機的質檢、天線及主板選型、三星CORS系統選點分析等場合。

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