北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件設(shè)計與實現(xiàn)

潘 林,蔡昌盛

(中南大學(xué) 測繪與遙感科學(xué)系，湖南 長沙 410083)

北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件設(shè)計與實現(xiàn)

潘 林,蔡昌盛

(中南大學(xué) 測繪與遙感科學(xué)系，湖南 長沙 410083)

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)測變得越來越重要。文中在Visual Studio 2008開發(fā)平臺下基于C++語言，設(shè)計并實現(xiàn)北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件，分析軟件具有分析觀測數(shù)據(jù)中多路徑誤差、周跳、載噪比、數(shù)據(jù)可用率和電離層延遲等信息的功能。利用開闊環(huán)境、樹林環(huán)境、玻璃幕墻環(huán)境中的觀測數(shù)據(jù)對分析軟件進(jìn)行測試，結(jié)果表明，分析軟件能夠真實反映出觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量情況。

北斗；質(zhì)量分析；軟件設(shè)計；多路徑；周跳；載噪比；數(shù)據(jù)可用率；電離層延遲

截止2012年10月25日，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已成功發(fā)射16顆衛(wèi)星，并在2012年12月27日組網(wǎng)運行，形成區(qū)域服務(wù)能力，面向我國及周邊地區(qū)提供無源定位、導(dǎo)航和授時等服務(wù)。隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)，其多模芯片、天線、板卡等關(guān)鍵技術(shù)紛紛取得突破，掌握了自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)了產(chǎn)品化，在交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、森林防火、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)和國家安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣，對其數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)測變得必不可少，并且北斗用戶在使用北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)之前，也迫切想了解其數(shù)據(jù)質(zhì)量如何。基于此，本文分析了觀測數(shù)據(jù)中的多路徑誤差、周跳、載噪比、數(shù)據(jù)可用率、電離層延遲等信息，在Visual Studio 2008開發(fā)平臺下基于C++語言，設(shè)計并實現(xiàn)了北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件，并利用3種不同環(huán)境中的觀測數(shù)據(jù)對軟件進(jìn)行了測試。該軟件已經(jīng)登記了國家計算機(jī)軟件著作權(quán)。

1 軟件測試數(shù)據(jù)

為了驗證此軟件是否能夠真實反映不同環(huán)境北斗數(shù)據(jù)的質(zhì)量情況，特選取開闊環(huán)境、樹林環(huán)境、玻璃幕墻環(huán)境(見圖1)中的觀測數(shù)據(jù)對軟件進(jìn)行測試。

圖1 軟件測試數(shù)據(jù)采集環(huán)境

圖1(a)所示為開闊環(huán)境觀測點，位于中南大學(xué)校本部內(nèi)的一棟宿舍樓樓頂，樓高20 m以上，地勢很高，周圍十分開闊，沒有任何遮擋物；圖1(b)所示為樹林環(huán)境觀測點，位于中南大學(xué)校本部采礦樓前的一片樹林中，樹葉較濃密，遮擋很明顯；圖1(c)所示為玻璃幕墻環(huán)境觀測點，位于中南大學(xué)新校區(qū)外語樓前，該樓有一面光滑的玻璃墻，可以對衛(wèi)星信號產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射。

采集數(shù)據(jù)的接收機(jī)由南方測繪公司生產(chǎn)，接收機(jī)類型是“SOUTH S82-C”。數(shù)據(jù)采樣間隔為20 s，截止高度角設(shè)為10°。其中開闊環(huán)境數(shù)據(jù)在2012年12月8日采集，時段長度約24 h。樹林環(huán)境數(shù)據(jù)和玻璃幕墻環(huán)境數(shù)據(jù)分別在2012年7月29日和2012年7月26日采集，時段長度均為4 h 50 min。

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件共有7個模塊，分別為數(shù)據(jù)讀取、衛(wèi)星軌道計算、周跳探測、多路徑計算、載噪比計算、電離層延遲計算和質(zhì)量分析結(jié)果。圖2所示是軟件的主界面。下面以開闊環(huán)境觀測數(shù)據(jù)為例，對各模塊的功能和計算原理進(jìn)行說明。

圖2 北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件主界面

2.1 數(shù)據(jù)讀取模塊

此模塊主要是讀取觀測文件和星歷文件，將這些數(shù)據(jù)信息傳遞到其他幾個模塊進(jìn)行后續(xù)計算。在觀測文件的讀取過程中，如果某顆衛(wèi)星某一歷元的偽距觀測值或者載波相位觀測值缺失，將此顆衛(wèi)星此歷元的數(shù)據(jù)剔除；如果某顆衛(wèi)星的星歷信息缺失，那么剔除這顆衛(wèi)星的所有數(shù)據(jù)。

2.2 衛(wèi)星軌道計算模塊

此模塊主要是獲得衛(wèi)星的軌道、高度角和方位角信息。目前可以觀測到14顆北斗衛(wèi)星，其中C01至C05屬于地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星;C06至C10屬于傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星;C11至C14屬于中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星中IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星的計算方法和GPS衛(wèi)星類似[1]，不同的是在計算GEO衛(wèi)星位置的過程中需要乘以一個5°的旋轉(zhuǎn)矩陣。

獲得的衛(wèi)星軌道、高度角、方位角信息可以單項文件輸出，也可以繪圖顯示。圖3、圖4所示是北斗衛(wèi)星的軌道圖和高度角圖，圖中不同衛(wèi)星用不同的顏色標(biāo)示出。從圖中可知，GEO衛(wèi)星的位置、高度角變化十分微小，而IGSO衛(wèi)星軌道呈“8字形”，其高度角只有在“8字形”底端時才很小，所以IGSO衛(wèi)星能維持長時間較高的高度角。

圖3 北斗衛(wèi)星軌道圖

圖4 北斗衛(wèi)星高度角圖

2.3 周跳探測模塊

此模塊主要是獲得觀測文件中各衛(wèi)星的周跳情況，周跳探測使用TurboEdit方法[2-3]。獲得的周跳信息可以單項文件輸出，也可以圖形顯示。圖5所示是北斗衛(wèi)星的周跳圖。圖中不同顏色表示衛(wèi)星的高度角，紅點表示周跳。從圖5中，不僅可以了解各衛(wèi)星的周跳情況，以及發(fā)生周跳時衛(wèi)星的高度角情況，還可以了解各衛(wèi)星隨時間的跟蹤情況。從圖5中可知，低衛(wèi)星高度角時易發(fā)生周跳。

圖5 北斗衛(wèi)星周跳圖

2.4 多路徑計算模塊

此模塊主要是獲得觀測文件中各衛(wèi)星的多路徑誤差，對于雙頻觀測值，多路徑誤差可以按如下公式計算[4-7]：

(1)

(2)

從式(1)、式(2)中可以看出，MP是消電離層組合觀測值，消除了一階電離層影響。由于載波相位觀測值多路徑誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于偽距觀測值多路徑誤差，所以在計算的過程中忽略了載波相位觀測值多路徑誤差的影響，MP1和MP2實際反映了偽距觀測值多路徑誤差與觀測噪聲的綜合影響。在計算過程中，各歷元的多路徑誤差是通過各歷元的MP值減去MP均值得到的，MP均值是通過5min內(nèi)各歷元的MP值求平均得到，這樣可以消去式(1)、式(2)中的常數(shù)項，也就是模糊度項的影響。當(dāng)有周跳發(fā)生時，MP均值要從發(fā)生周跳的歷元重新開始計算。

獲得的多路徑信息可以單項文件輸出，也可以繪圖顯示，如圖6所示。從圖中可知，由于開闊環(huán)境觀測條件良好，各衛(wèi)星大部分多路徑誤差在0.5m以下。

圖6 北斗衛(wèi)星多路徑效應(yīng)圖

2.5 載噪比計算模塊

此模塊獲得觀測文件中各衛(wèi)星的載噪比信息。載噪比是指載波信號與噪聲的能量密度之比，雖然載噪比不能完全反映出載波相位觀測值的質(zhì)量，但它仍然是反映載波相位觀測質(zhì)量的最佳指標(biāo)[8]。由于載噪比和信號強(qiáng)度息息相關(guān)，當(dāng)觀測文件中沒有輸出載噪比信息時，以信號強(qiáng)度乘以5來表示載噪比，這種方法中載噪比會有一定的精度損失。

獲得的載噪比信息可以單項文件輸出，也可以繪圖顯示。如圖7所示，是北斗衛(wèi)星第一個頻率上的載噪比圖。從圖中可知，各衛(wèi)星的載噪比基本在30以上。

圖7 北斗衛(wèi)星載噪比圖

2.6 電離層延遲計算模塊

此模塊主要是獲得觀測文件中各衛(wèi)星的電離層延遲以及電離層延遲變化率信息。電離層延遲通過雙頻改正模型計算[1]，這里不再贅述。由于雙頻改正模型中使用了偽距觀測值，精度較低，因此在計算電離層延遲變化率時，不能簡單地計算單位時間內(nèi)電離層延遲的變化值，而是按如下公式計算[4]：

(3)

式中：IOD是電離層延遲變化率，m/s；ti是第i個歷元的觀測時刻。

在得到IOD之后，可以計算IOD周跳數(shù)。計算方法是：首先計算整個時段內(nèi)所有衛(wèi)星IOD的STD(Standard Deviation)值，然后以3倍STD值為限，各衛(wèi)星超限的歷元認(rèn)為發(fā)生IOD周跳。IOD周跳包括周跳探測模塊中沒有探測出的小周跳、粗差以及電離層變化劇烈的部分，因此IOD周跳是一個可以良好反映數(shù)據(jù)質(zhì)量的指標(biāo)。

獲得的電離層延遲、電離層延遲變化率信息可以單項文件輸出，也可以繪圖顯示。如圖8所示，是北斗衛(wèi)星的電離層延遲變化率圖。圖中，兩條平行線表示電離層延遲變化率的3倍STD值。從圖中可知，只有極個別歷元的電離層延遲變化率會大于3倍STD值。

圖8 北斗衛(wèi)星電離層延遲變化率圖

2.7 質(zhì)量分析結(jié)果模塊

此模塊主要是匯總文件的生成。匯總文件包括生成匯總文件的時間、觀測文件名、星歷文件名、接收機(jī)類型、天線類型、接收機(jī)近似坐標(biāo)、首歷元時間、末歷元時間、時段長度、采樣間隔、觀測衛(wèi)星個數(shù)、觀測衛(wèi)星編號、缺少星歷信息的衛(wèi)星編號、預(yù)計歷元數(shù)、實測歷元數(shù)、數(shù)據(jù)可用率、周跳數(shù)/數(shù)據(jù)量、IOD周跳數(shù)/數(shù)據(jù)量、整個時段內(nèi)所有衛(wèi)星多路徑誤差的STD值、整個時段內(nèi)所有衛(wèi)星載噪比的均值。

上文中，預(yù)計歷元數(shù)是指各衛(wèi)星高度角在截止高度角以上的所有歷元總數(shù)；實測歷元數(shù)是指各衛(wèi)星偽距觀測值和載波相位觀測值均沒有缺失的歷元總數(shù)；數(shù)據(jù)可用率是指實測歷元數(shù)除以預(yù)計歷元數(shù)；數(shù)據(jù)量是指實測歷元數(shù)。

匯總文件中還對各衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計，包括各衛(wèi)星的實測歷元數(shù)、各衛(wèi)星缺失偽距觀測值或載波相位觀測值的歷元總數(shù)、各衛(wèi)星多路徑誤差的STD值、各衛(wèi)星載噪比的均值。

匯總文件中還對不同高度角范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計。例如統(tǒng)計高度角在10°～15°內(nèi)所有衛(wèi)星多路徑誤差的STD值以及載噪比均值，以此來反映高度角對衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

3 軟件測試

和空曠環(huán)境相比，樹林環(huán)境和玻璃幕墻環(huán)境的觀測條件要惡劣很多，所以選取這兩種環(huán)境的觀測數(shù)據(jù)和空曠環(huán)境對比，以此來測試北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件的性能。

圖9、圖10所示，分別是樹林環(huán)境和玻璃幕墻環(huán)境中北斗衛(wèi)星第一個頻率上的多路徑效應(yīng)圖。對比圖6可以發(fā)現(xiàn)，和空曠環(huán)境相比，這兩種環(huán)境中的多路徑誤差明顯增大。在樹林環(huán)境中，衛(wèi)星信號穿過樹葉較濃密的樹林，容易產(chǎn)生信號衍射及反射等情況，造成多路徑誤差明顯變大。在玻璃幕墻環(huán)境中，C07衛(wèi)星在5:30-7:20這段時間內(nèi)多路徑誤差顯著增大，原因是這段時間內(nèi)C07衛(wèi)星高度角很低，并且經(jīng)過玻璃幕墻正前方，導(dǎo)致玻璃幕墻對C07衛(wèi)星的信號產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，導(dǎo)致其多路徑誤差變大。可以看出，北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件中的多路徑計算模塊性能良好。

圖9 樹林環(huán)境中北斗衛(wèi)星多路徑效應(yīng)圖

圖10 玻璃幕墻環(huán)境中北斗衛(wèi)星多路徑效應(yīng)圖

表1中統(tǒng)計了開闊環(huán)境、樹林環(huán)境、玻璃幕墻環(huán)境中北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析結(jié)果，包括整個時段內(nèi)所有衛(wèi)星兩個頻率上多路徑誤差的STD值和載噪比均值、周跳數(shù)/數(shù)據(jù)量、IOD周跳數(shù)/數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)可用率。從表中可知，和空曠環(huán)境相比，樹林和玻璃幕墻這兩種惡劣觀測環(huán)境中北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)的各項統(tǒng)計指標(biāo)均有不同程度的變差。可以看出，北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件能夠真實反映出觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量情況。

表1 3種觀測環(huán)境中北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析結(jié)果

4 結(jié)束語

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)在許多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，因此對其數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)測變得必不可少，并且北斗用戶在使用北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)之前，也迫切想了解其數(shù)據(jù)質(zhì)量如何。鑒于此，本文分析了觀測數(shù)據(jù)中的多路徑誤差、周跳、載噪比、數(shù)據(jù)可用率、電離層延遲等信息，在Visual Studio 2008開發(fā)平臺下基于C++語言，設(shè)計并實現(xiàn)了北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件，給出了軟件各個模塊的功能和具體實現(xiàn)過程，并利用開闊環(huán)境、樹林環(huán)境、玻璃幕墻環(huán)境中的觀測數(shù)據(jù)對軟件進(jìn)行測試，結(jié)果表明，此軟件能夠真實反映出北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)的質(zhì)量情況。

[1]李征航，黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

[2]GEOFFREY B. An Automatic Editing Algorithm for GPS Data[J]. Geophysical Research Letters, 1990, 17(3): 199- 202.

[3]吳繼忠，施闖，方榮新. TurboEdit 單站 GPS 數(shù)據(jù)周跳探測方法的改進(jìn)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2011，36(1)：29-33.

[4]L H ESTEY, C M MEERTENS. TEQC: the multi-purpose toolkit for GPS/GLONASS data[J]. GPS Solution, 1999, 3(1): 42-49.

[5]CAI C, GAO Y, PAN L. An analysis on combined GPS/ COMPASS data quality and its effect on sigle point positioning accuracy under different observing condtions [J]. J. Adv. Space Res., 2013, DOI: 10.1016/j.asr.2013.02.019.

[6]余文坤，戴吾蛟，楊哲. 基于 TEQC 的 GNSS 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及預(yù)處理軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 大地測量與地球動力學(xué)，2010，30(5)：81-85.

[7]李英冰，熊程波，閆景仙. GNSS質(zhì)量檢查的圖形繪制[J]. 測繪工程，2011，20(2)：11-14.

[8]戴吾蛟，丁曉利，朱建軍. 基于載噪比及參數(shù)先驗信息的抗差模型[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2008，33(8)：834-837.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

Software design and implementation for Beidou data quality analysis

PAN Lin，CAI Chang-sheng

(Dept. of Surveying Engineering and Remote Sensing Science, Central South University, Changsha 410083，China)

With the development of Beidou satellite navigation system, Beidou satellite data have been widely used in many fields. Therefore, it is becoming increasingly important to monitor the data quality of Beidou. Because of this, a Beidou data quality analysis software is provided based on C++ language in Visual Studio 2008 development platform. The software can be used to analyze the multipath effects, cycle-slip, carrier-to-noise density ratio, data availability and ionospheric delay which are contained in the observation data. The test results of this software with the observation data collected under open sky, the trees and nearby a glass wall indicate that the Beidou data quality analysis software can really reflect the quality of Beidou observational data.

Beidou; quality analysis; software design; multipath effects; cycle-slip; carrier-to-noise density ratio; data availability; ionospheric delay

2013-09-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(41004011)

潘 林(1989-)，男，碩士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)10-0067-05