GNSS接收機數據質量及常見問題分析

帥瑋祎，董緒榮，王 軍，李禎東

(1.裝備學院，北京 101416；2.93787部隊，北京 100076)

進入21世紀以來，衛星導航產業蓬勃發展，其應用領域涉及到國家發展、人民生活的方方面面。全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)接收機作為接收GNSS衛星信號，實現定位、導航和授時功能的終端，是導航系統同用戶的接口，聯系的紐帶[1-2]。GNSS接收機數據質量是接收機實現各項功能的基礎，也是GNSS向用戶提供各項服務的基礎。根本上來說接收機數據質量直接反映了服務性能的優劣。通過數據分析也可以檢測出導航系統、接收機及天線周圍環境的各類問題，對系統建設和用戶應用都具有實際意義[3-5]。

當前對GNSS數據質量的核驗主要采用的是TEQC軟件[6-8]，方法和評價指標較為單一，并沒有形成系統分析方法。因而本文給出了一種綜合利用TEQC、GAMIT、RTKLIB三款軟件進行GNSS數據質量核驗的方法，給出了相應質量核驗指標的定義；以北京市全球衛星定位系統網絡內3個基準站上北斗三模接收機和GPS/GLONASS雙模接收機數據為基礎，利用本文提出的方法對數據進行了質量核驗，并對各項指標結果進行了對比分析；最后結合分析結果和實地勘測結果，給出了個別基準站數據出現問題的原因，提出改善建議，并對改善后該站觀測數據進行質量分析，驗證建議的實用性。

1 GNSS數據質量分析指標基礎理論

結合近年來國內外專家學者的研究工作，數據質量分析所采用的指標主要有數據利用率、多路徑效應、周跳、信噪比等[9-10]。結合接收機數據的應用，本文采用5種參數作為評價接收機靜態數據質量的指標。

1)數據利用率。數據利用率反映了數據的完好性和可用性[11]，表征了衛星高度角大于或等于截止高度角上數據中碼數據、載波相位數據的完整性。接收機故障或環境干擾可能導致數據利用率過低。

ratio=Obscomplete/Obspossible.

(1)

其中，Obscomplete為觀測數據中的完整歷元數，Obspossible為理論上可以觀測到的歷元數。

2)偽距測量噪聲誤差。偽距定義為信號接收時間tu(t)與信號發射時間t(s)(t-τ)之間的差異與光速c的乘積[12]，考慮大氣折射效應對光速的影響，偽距觀測方程式為

ρ(t)=r(t-τ,t)+c(δtu(t)-δts(t-τ))+

cI(t)+cT(t)+Mρ+ερ(t).

(2)

其中，r為衛星和接收機之間的幾何距離，τ為信號從衛星到接收機所需的實際傳播時間，δtu為接收機時鐘鐘差，δts衛星時鐘鐘差，I為電離層延遲，T為對流層延遲，Mρ為多路徑誤差，ερ為偽距測量噪聲量，代表了所有沒有直接體現在式(2)中的各種誤差總和。

3)載波相位測量值。接收機除了從衛星信號中獲得偽距測量值以外，還有一個基本測量量為載波相位，其精度較高，在精密定位中起到了關鍵性作用[13]。其觀測方程式為

φ=λ-1(r+δtu-δts-I+T)+N+mφ+εφ.

(3)

其中，φ為載波相位差，λ為載波波長，N為整周模糊度，mφ為多路徑效應，εφ為載波相位測量噪聲量。

4)多路徑誤差。多路徑誤差主要指的是衛星信號在傳播過程中，受到環境地物的反射，使得信號經過多次反射才能到達接收機，因此產生的信號強度、延時或是相位狀態的變化而引起的接收機測量值誤差(Mρ和mφ)。多徑效應會給偽距測量值和載波相位測量值同時引入不同程度的誤差，考慮到實際測量中，載波相位測量值中的多徑誤差要遠遠小于偽距的多徑誤差。

5)周跳比。周跳是指載波相位測量中，由于衛星信號的失鎖而導致的整周計數的跳變或中斷。這種現象可能是由天線的遮擋或是接收機質量問題產生的，通常采用理論上歷元數與周跳的比值來作為周跳的統計值。

o/slip=Obspossile/slip.

(4)

2 主要軟件介紹

本文采用TEQC軟件為主，結合GAMIT/GLOBK、RTKLAB來進行質量檢查。

TEQC(Translation、Editing、and Quality Checking)是功能強大且簡單易用的GPS/GLONASS 數據預處理軟件，最新的2016版本提供了BDS接收機數據接口。主要功能有格式轉換、編輯和質量檢核。質量檢查可以用于檢查接收機動態和靜態數據的質量，反映出數據的可用性、電離層延遲、多路徑影響、接收機周跳、衛星信號信噪比等信息，并實現了可視化。

GAMIT/GLOBK軟件最初是由美國麻省理工學院(MIT)研制的，后又與斯克里普斯(SCRIPPS)海洋研究所(SIO)共同開發改進的一套基于UNIX/LINUX操作系統下的用于高精度GPS數據處理分析軟件。處理長基線和連續時段靜態定位相對精度可達10e-8～10e-9數量級，處理短基線的精度可達1～3 mm。不僅精度高、功能強大，而且開放源代碼，用戶可以根據實際需要進行人工干預進行數據處理[14]。

RTKLAB是一個用于GNSS精確定位的開源程序包，包含一個便攜式程序庫和多個應用程序[15]，具有強大的圖形輸出功能，可以對接收機觀測數據進行衛星可見性、天空視圖和高度角等參數進行可視化顯示。

3 數據質量結果及相關問題分析

首先選取北京市全球衛星定位系統網絡內石景山、牛口峪和平谷3個基準站于2016-10-03—2016-10-09的觀測數據，每天觀測時間為24 h，采樣間隔為15 s。采用GPS/GLONASS雙模接收機和北斗三模接收機兩款接收機數據用作對比分析。本文為了保證對比結果的科學性，只采用北斗三模接收機中接收到的GPS和GLONASS星的數據進行對比。

3.1 數據各項質量指標分析

1)數據利用率。從圖1中可以看出，兩款接收機反映出三個基準站數據利用率高低情況是一致的：數據利用率從高到低分別為平谷、牛口峪、石景，石景山站數據利用率平均在85%以下；對比兩款接收機，北斗接收機數據利用率要低于GPS/GLONASS接收機。

圖1 BDS、GPS/GLONASS接收機數據利用率對比圖

2)偽距測量噪聲誤差。采用GAMIT進行解算時，偽距噪聲誤差結果會記錄在名為autcln.sum.post的文件中，如圖2所示。

由于現在GAMIT軟件還不能處理GLONASS雙頻數據，因此這里只采用兩款接收機的GPS數據進行處理，并進行對比分析。處理一周數據得到的偽距噪聲誤差如圖3所示。

兩款接收機反映出三個基準站偽距噪聲誤差情況是一致的，整體上看，北斗三模接收機數據的偽距噪聲誤差要大于GPS/GLONASS雙模接收機，石景山站的偽距噪聲誤差要遠遠高于其他兩站。

圖3 BDS、GPS/GLONASS接收機偽距噪聲誤差對比圖

3)相位測量誤差。autcln.sum.post中同時給出了在不同高度角下載波相位測量值的噪聲誤差。結果如圖4所示。

圖4 BDS、GPS/GLONASS接收機相位噪聲誤差對比圖(左側為北斗接收機數據)

圖5 BDS、GPS/GLONASS接收機數據mp1對比圖

從圖中可以看出，兩款接收機反映出的3個站的相位噪聲誤差情況也是基本相同的，數據相位噪聲誤差隨高度角變化的趨勢大致相同，除了石景山站在高度角為10°～30°時分布較為散亂以外，誤差大小及分布趨勢3個站大致相同。從給出的不同高度角上的誤差值對比可知，北斗三模接收機GPS數據的相位噪聲誤差要大于GPS/GLONASS雙模接收機。

4)多路徑誤差。TEQC和RTKLAB軟件都可以給出多路徑誤差結果，TEQC以數據文件格式給出，RTKLAB則直接給出可視化結果，為了便于數據對比分析，這里利用TEQC軟件來計算多路徑誤差。2015年6月發布的TEQC版本已經可以處理北斗數據，因此這里采用兩類接收機接收到的GPS和GLONASS數據進行對比。

根據國際公認的數據質量檢測系統規定的慣用參考指標[16]，本文采用mp1<0.5 m,mp2<0.75 m作為標準參考值，mp值越大，多路徑效應越嚴重。結合圖5、6中數據可以看出，石景山站mp1、mp2值89%以上天數均超標，多路徑嚴重。牛口峪站上北斗接收機接收到的數據顯示多路徑嚴重，而GPS/GLONASS雙模接收機數據正常。綜合三個站mp1、mp2的值來看，采用北斗接收機數據計算出的多路徑誤差數值相對來說較大。

圖6 BDS、GPS/GLONASS接收機數據mp2對比圖

5)周跳比。采用的周跳比2 000，周跳比越小，表示周跳越嚴重。

由圖7可知，3個站上北斗接收機數據顯示的周跳比均在參考值之下，而平谷站GPS/GLONASS雙模接收機數據中周跳比均遠遠高于正常水平，而石景山和牛口峪兩個站點的周跳比則低于參考值。對比兩類接收機結果，石景山、牛口峪兩個站點數據周跳較為嚴重，而平谷站結果較差可能同北斗接收機自身硬件有關。

圖7 BDS、GPS/GLONASS接收機數據周跳比對比圖

3.2 質量結果分析

綜合五項指標結果，分析得出以下結論：

1)石景山站兩款接收機數據顯示各項指標均較差，各類誤差均較大，多路徑和周跳現象尤為嚴重。綜合各項指標，初步分析該站天線附近存在遮擋，且周圍環境條件較差，同時可能存在電磁干擾等因素。

2)牛口峪站多路徑和周跳現象較為嚴重，初步分析該站天線附近存在遮擋。

3)平谷站各項指標均在正常范圍內，運行情況良好。

4)對比兩款接收機結果可以看出，兩款接收機反映出的數據問題情況基本一致，雖然在同一站點上北斗接收機接收到數據的各項指標都略差于GPS/GLONASS雙模接收機，但這是接收機自身性能造成的，并不是該站點觀測數據的問題。

為進一步確認石景山和牛口峪站天線附近是否存在遮擋，利用RTKLIB軟件對兩個基準站進行可見衛星數進行觀測。圖8為10月9日兩個站點上空衛星分布圖。

從圖中可以直觀看出，兩個站點在東西方向都有部分區域接收衛星質量較差，出現失鎖現象或中斷，可以初步確定為天線存在遮擋。

4 實地勘測結果分析

對石景山和牛口峪兩個站點進行了實地考察，現場實際情況如圖9所示。

石景山站西側有高層建筑正在施工，西、北兩側均有較高樹木，牛口峪站周圍也同樣存在樹木，因此對天線造成了干擾和遮擋，導致接收數據質量較差。對牛口峪站天線附近樹木進行了砍伐，由于石景山站遮擋物無法進行移除，正在考慮更換站址。

為了驗證牛口峪站觀測數據是否恢復正常，下面給出砍伐樹木后11月20日～11月26日一周數據的質量分析，前面的分析中已經排除了接收機硬件問題，僅分析GPS/GLONASS雙模接收機數據質量，質量分析結果如表1所示。

圖8 石景山、牛口峪站衛星分布圖

圖9 石景山、牛口峪站實地勘測圖

質量分析指標數據利用率/%偽距噪聲殘差/mm相位測量誤差/mm多路徑mp1/m多路徑mp2/m周跳比11.2096858.5110.420.61206811.2198855.211.40.380.491206511.2298842.410.40.360.51207211.2396840.410.30.450.571205811.2498842.78.60.430.52965111.2599844.4100.390.514823211.2699837.78.50.340.4312059平均值97.7845.910.030.390.529238

將表中各項指標同前期平谷站(運行良好)各項指標參數值以及規定的標準值對比可以看出，牛口峪站觀測數據各項指標均在正常范圍內，該站運行恢復正常。

5 結 論

本文首先利用TEQC、GAMIT計算給出的五項質量分析指標，對數據質量進行分析，并分析超出正常范圍的指標原因，同時結合RTKLIB給出的可視化結果對影響數據質量的因素進一步確認，通過實地勘測驗證了分析結果及原因判斷的準確性，進而驗證了方法的實用性。

軟件分析可以通過對基準站觀測數據質量的分析來進行基準站常見問題的及時確認和排查，成本低、效率高，避免了不必要的人力物力浪費。此外本文給出的方法同時也可以用于GPS、GLONASS、BDS等單一衛星系統數據處理，實用性較強，對工程建設和實際操作應用都有一定的借鑒意義。

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