星載GPS/BDS數據質量評估與分析

吳瓊寶，趙春梅

(1.煤炭工業濟南設計研究院有限公司，濟南 250031；2.中國測繪科學研究院，北京 100830)

0 引言

隨著低軌衛星應用越來越廣泛，星載全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)融合觀測數據確定低軌衛星精密軌道成為衛星定軌技術發展的必然趨勢。目前，星載全球定位系統(global positioning system，GPS)接收機搭載在各種低軌衛星上并且回傳的數據穩定，性能良好，根據回傳數據定軌精度達到厘米級[1-6]。國內部分低軌衛星搭載了星載多模接收機，采用其回傳的觀測數據確定其精密軌道是低軌衛星試驗任務的重要內容，同時星載北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)觀測數據定軌對我國衛星和航天信息安全具有重要的意義。

對星載觀測數據精密定軌，觀測數據的質量是影響其定軌精度的關鍵因素之一，同時也是低軌衛星定軌精度和可靠性的保障。它受衛星的健康狀況、接收機及天線、測站環境等因素的影響。目前，國內外公認的比較優秀的數據質量評估軟件是由美國衛星導航系統與地殼形變觀測研究大學開發的TEQC(translation，editing and quality checking)，其以GNSS數據質量評估為核心，并具備數據格式轉換、數據編輯、偽距定位等功能[7]。

1 數據質量評估

低軌衛星在太空中處于高速運動，易受復雜環境的影響；而星載GPS數據質量高低是衛星精密定軌的關鍵，分析觀測數據的質量必不可少。影響觀測數據質量的主要因素包括電離層延遲、多路徑效應以及接收機噪聲等。

GNSS觀測數據質量檢核的主要指標為多路徑效應(MP1、MP2)、周跳比(O/slps)和觀測數據的完整性。其中：MP1、MP2分別為L1、L2頻率上的多路徑觀測誤差；觀測值總數與發生周跳的觀測值數之比稱為周跳比，它直接反映了數據周跳的情況，比值越大，表明周跳越少，反之則越多；數據的完整性反映了星載設備的性能和數據量的大小，直接影響低軌衛星定軌精度。此外還包括電離層影響誤差、電離層延遲變化率、衛星的可見性、信噪比(single-noise ratio，SNR或S/R)和其他相關參數。

1.1 衛星可見性

星載觀測數據中每個歷元的觀測衛星數可以直觀地反映低軌衛星接收機的跟蹤情況。可見衛星數越多，可減小幾何精度衰減因子、采用其定軌的精度越高。對于BDS，衛星的可見性分析較為重要。目前在軌可用于導航的BDS衛星數為15顆，其中5顆為高軌衛星，星歷精度較低；而低軌衛星上搭載的BDS接收機性能不穩定，數據接收異常，對衛星定軌精度影響較大。

1.2 多路徑誤差

多路徑誤差作為影響星載數據質量與低軌衛星定軌精度的重要因素之一，其估計值能夠直觀地反映觀測數據的優良。L1和L2(BDS接收機為B1和B2)頻率上的多路徑誤差可通過偽距觀測值和載波相位觀測值的線性組合來估計[8]，即

(1)

1.3 數據有效率與利用率

數據有效率為刪除觀測值數與所有觀測量類型數據量之比，在TEQC軟件中的表示為deleted observations/complete observations。

數據利用率為完整觀測值的歷元數與預期歷元數之比，完整觀測值為歷元的觀測值同時具有碼觀測量C1或P1、C2或P2，以及相位觀測量L1和L2等4種類型的數據。

數據有效率和利用率作為星載觀測數據質量的統計值，反映了接收機采集數據的性能與穩定性。對于星載BDS數據，數據的利用率較為重要，利用率低說明數據質量差，對定軌結果影響較大。

1.4 電離層延遲變化率

星載雙頻觀測數據的電離層延遲為

和方差(SSE)為3.838，確定系數(R-square)為0.962 1，調整后確定系數(Adjusted R-square)為0.957 4，均方根(RMSE)為0.399 9。

(2)

式中：L1和L2分別為f1和f2頻率上的載波觀測量，單位為m；n1和n2為整周模糊度；m1和m2分別為f1和f2頻率上的多路徑效應；λ1和λ2分別為f1和f2頻率對應的載波波長。

TEQC軟件檢核觀測數據模塊中計算電離層延遲變化率為

(3)

式中：j為歷元編號；tj為歷元j的時刻，如果iod變化率大于400 cm/min，則認為存在周跳。

1.5 周跳比

周跳比為實際觀測的歷元數與周跳數的比值，用以說明觀測數據的周跳情況。周跳探測采用Melbourne-Wǜbbena(MW)無電離層組合與電離層殘差法。地面靜態觀測數據的周跳比通常會大于200，星載接收機處于高動態環境中，由于低軌衛星運動速度快、相鄰歷元間電離層延遲變化較大、接收機空間環境差、多路徑效應影響等原因，會造成星載觀測數據的不連續性或衛星信號的失鎖，從而導致星載數據會較之地面觀測數據存在更多的周跳。周跳比越大、周跳個數越少，低軌衛星定軌精度越高。

1.6 信噪比

數據的信噪比SNR是指接收的載波信號強度與噪聲強度的比值，單位為dBHz。信噪比能夠反映接收信號的質量，地面接收機的數值一般在45 dBHz左右，其值越高，相應的數據質量越好[9-10]。

2 實驗與結果分析

本文選取FY3C衛星2016-06-08—2016-06-17(年積日第160天至第169天)共10 d的星載GPS/BDS觀測數據進行質量評估。

2.1 衛星可見性

年積日第160天的星載GPS、BDS觀測數據可見性情況如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可知：FY3C衛星星載接收機最多能接收到6顆BDS衛星和12顆GPS衛星；BDS數據存在較長時間缺失的情況。表1為衛星數與歷元的統計百分比。

星載BDS數據平均超過60 %的歷元可見衛星數少于3顆，無法進行衛星軌道解算；星載GPS數據每個歷元觀測到的導航衛星數基本為7～12顆，比例接近80 %，接收機的性能良好。

表1 FY3C星載數據衛星可見數百分比統計

2.2 數據利用率與有效率

星載GPS、BDS數據的利用率和有效率情況如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可知：FY3C衛星星載GPS數據的利用率接近100 %，數據的有效率較低，平均為74 %；星載BDS數據的利用率較低，平均為88 %，有效率較好。

2.3 多路徑誤差

星載GPS、BDS數據的多路徑誤差如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知：FY3C衛星星載BDS數據L1頻率上的多路徑誤差較大，L2頻率上的多路徑誤差低于GPS數據。

2.4 信噪比

星載GPS、BDS數據的信噪比情況如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可知：FY3C衛星星載BDS數據L1頻率上的噪聲略低于GPS數據；L2上的噪聲略高于GPS數據；信噪比均在正常范圍內。

2.5 周跳比

星載GPS、BDS數據的觀測值與周跳比的情況如圖9、圖10所示。

由圖9和圖10可知，FY3C衛星星載BDS數據與GPS數據的周跳比在相同數值水平。

2.6 評估指標平均值統計

表2總結了FY3C衛星星載GPS/BDS數據的質量評估結果。

表2 FY3C衛星星載GPS/BDS數據評估指標平均值統計

由表2可知：星載BDS數據的利用率低于星載GPS數據，有效率高于GPS數據，原因是觀測數據量的差異；星載BDS數據在L1頻率上的多路徑誤差大于星載GPS數據，其他評估指標正常。

3 結束語

本文主要介紹了星載GPS/BDS觀測數據評估指標及其目的。通過對FY3C衛星回傳的實例數據評估了星載GPS/BDS數據的質量特征。星載BDS數據的利用率低于GPS數據，說明接收機數據丟失較多；而有效率高于GPS數據，原因是觀測數據量的差異：當二者同時達到一定水平則可說明接收機的性能較好。在多路徑誤差方面，星載BDS數據的多路徑誤差數值與GPS數據接近。通過信噪比、周跳比與電離層變化率數值的比較，結果說明星載BDS的數據質量接近GPS數據。

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