一種多GNSS數據質量分析工具

張國利，楊開偉，陳秀德

(1.92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001；2.中國電子科技集團公司 第54研究所，石家莊 050081；3.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，石家莊 050081)

0 引言

隨著多衛星導航系統的迅速發展，除現有的比較成熟的美國的全球定位系統(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)外，更有后起迅猛的中國北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)和歐盟伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)，以及日本準天頂導航系統(quasi-zenith satellite system，QZSS)和印度的區域導航系統(Indian regional navigation satellite system，IRNSS)系統。多系統、多頻點、多星座的衛星導航數據必將成為全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)的大勢所趨[1]。目前，常用的數據質量檢測分析工具，包括由UNAVCO Facility研發的TEQC[2]、由德國地學中心(German Research Centre for Geosciences，GFZ)研發的gfzrnx[3]、和由GNSS數據中心(The GNSS Data Center，GDC)研發的BKG Ntrip Client (BNC)[4]等。TEQC軟件可以進行數據轉換、編輯和質量檢核，但是目前還不能處理RINEX2.11以上更高版本的數據，并且該工具是不開源的，不利于進行二次開發，此外該工具的可視化成圖還需借助其他工具，如qcview；gfzrnx軟件可以進行數據的格式轉換、簡單的質量檢核與統計，目前也是不開源的，并且無法可視化[3]；BNC軟件可以進行數據的轉換以及數據的基本質量檢核，它雖然是開源的，但目前還是主要進行傳統信號、頻點的數據質量檢測分析工作，未對新信號、新頻點的特性展開分析討論[4]。

本文介紹了一種能夠處理多GNSS數據的數據處理分析工具(multi-GNSS data quality analysis tool，MDQAT)。

1 主要算法

目前，MGDQAT工具可以進行大量的數據質量檢核工作，如采用三頻數據的周跳探測與估計、實時鐘跳的探測與修復、多頻多信號的多路徑探測、高精度標準單點定位(single point positioning，SPP)功能等。本節就MGDQAT工具的數據質量檢核中的主要算法進行了詳細的介紹。

1.1 周跳探測與估計

MGDQAT采用M-W和無電離層線性組合來探測周跳[5]。基于原始載波相位觀測值，形成新的線性組合，利用文獻[6-7]中提到的三頻載波相位組合觀測量來探測與估計周跳，以GPS三頻載波相位觀測量為例，具體公式為

φewl=φ2-φ5

(1)

φwl=φ1-φ5

(2)

φnl=2φ1-φ2

(3)

式中：φewl為拓展的寬巷觀測量(extra-wide-lane)，是由GPSL2和L5頻點上φ2和φ5相位觀測量線性組合得到的；φwl為寬巷觀測量(wide-lane)，是由GPSL1和L5頻點上φ1和φ5相位觀測量線性組合得到的；φnl為窄巷觀測量(narrow-lane)，是由GPSL1和L2頻點上的φ1和φ2相位觀測量線性組合得到的。

利用三頻相位組合觀測量數據探測與修復周跳的主要流程如下：

(4)

(5)

式中：Newl為寬巷觀測量的整周模糊度；Ni、fi、Pi、φi、ΔNi依次為Li(i=2,5)頻點上的載波相位整周模糊度、載波波長、偽距觀測量、相位觀測量以及周跳；ΔNewl和λewl分別為發生在寬巷觀測量上的周跳(包含小數部分)和；ΔPi、Δφi分別為發生在Li(i=2,5)頻點上的歷元間的偽距差值和歷元間的載波差值。

φewl-φwl=Newlλewl-Nwlλwl+η1I

(6)

ΔNwl=(Δφewl-Δφwl-η1ΔI+ΔNewlλewl)/λwl

(7)

式中：Ni、λi分別為i(i=ewl,wl)組合觀測量的整周模糊度和波長；η1=βewl-βwl為電離層延遲殘差系數，β*為電離層尺度因子；I為發生在寬巷觀測量上的電離層延遲；Δφi為i(i=ewl,wl)組合觀測量的歷元間差值；ΔI為歷元間寬巷觀測量上電離層差值。

φwl-φnl=Nnlλnl-Nwlλwl+η2I

(8)

ΔNnl=(φwl-φnl-η2ΔI+ΔNwlλwl)/λnl

(9)

ΔI=Δ(φ1-φi)/(k1i-1)

(10)

式中：φwl、φnl含義同公式(2)、(3)；Ni、λi分別為i(i=nl,wl)組合觀測量的整周模糊度和波長；η2=βwl-βnl為電離層延遲殘差系數；計算電離層延遲殘差ΔI時，因為L2和L5頻率比較接近，因此采用ΔI=Δ(φ1-φ2)/(k12-1)(或ΔI=Δ(φ1-φ5)/(k15-1))來計算均可。

至此求出了發生在3種線性組合觀測量上的整周周跳，它們與原始相位觀測值上的一個周期的周跳有如下關系，其計算公式為

(11)

1.2 鐘跳的探測與修復

MGDQAT數據處理工具采用的是文獻[11]中提到的實時鐘跳探測與修復的方法。首先給出鐘跳探測量S，如式(12)所示。從式(12)中可看出，當殘留電離層延遲以及噪聲可以忽略不計的情況下，當未發生大的周跳，S指標可以很好地探測鐘跳。此外，為了保證該方法的可靠性，引入另一探測量TGF，如式(13)所示，該量對鐘跳并不敏感，采用該量來消除鐘跳過程中周跳帶來的不利影響。當|Sj|>k1認為可能發生了鐘跳，將針對特定衛星可能發生鐘跳的觀測量標記為“1”。文獻[13]中指出S與衛星高度角有很大的相關性，其值變化范圍在幾分米到幾米之間，并且給出k1=10-3c-3σ(c為光在真空中的速度，σ為噪聲)，σ一般取值為3～5 m，即

(12)

TGF=Δ(L1-L2)

(13)

為了進一步準確探測出接收機鐘跳，利用鐘跳的整毫秒特性來區分鐘跳和周跳，其計算方法為

(14)

(15)

式中：n為按照|Sj|>k1條件得到的鐘跳個數；JS即實際鐘跳值；round(M)表示變量M近似取整；k2一般取值在1×10-4～1×10-5ms之間。

采用僅修復相位觀測值的方法進行鐘跳的修復，即調整相位觀測值，使其與碼觀測值保持一致，其計算公式為

(16)

1.3 多路徑探測

MGDQAT數據處理工具采用適用于所有頻點、所有信號、所有星座的估計偽距多路徑的通用算法[5-6]，其計算公式為

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLj

(17)

(18)

式中：MPi即發生在i頻點的多路徑；Pi、Li分別為i頻點上的偽距、載波相位觀測；fi為i頻點的頻率。如果k=i=1，j=2，即可得到MR1，其計算公式為

(19)

同理，當k=i=2、j=1時，就可得到MR，其計算公式為

(20)

當k=5、i=1、j=2時，可得到Mp5，其計算公式為

(21)

2 實驗與結果分析

數據源為2018年1月3日JFNG站(國際MGEX監測站之一)的數據。輸入原始觀測數據(JFNG0030.18O)和多系統混合的廣播星歷文件(brdm0030.18p)，數據的衛星截止高度角為0°，利用MGDQAT工具進行數據質量分析以及可視化成圖，部分分析結果如圖1～圖4所示。

圖1中橫坐標為各系統不同觀測類型，其編碼由2部分組成，即系統標識(包括BDS/GPS/GLO/GAL 4種，依次表示BDS/GPS/GLONASS/Galileo系統)和觀測類型(包括C/L/D/S，依次表示碼/載波相位/多普勒/信噪比觀測量)，如“GPSC”，表示GPS系統的碼觀測量；縱坐標表示各系統各觀測量的數據完整率(數據完整率=實際觀測歷元數/理論歷元數乘100 %)。

圖2中橫坐標為各系統各頻點的信噪比，其編碼由衛星系統標識(包括C/G/R/E/J/S，依次表示BDS/GPS/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS系統)和觀測類型(根據RINEX3.03定義)2個部分組成，如“CS1I”，表示BDS的“S1I”信噪比觀測量；縱坐標為各系統各類信噪比值。

圖1 各衛星導航系統不同類型觀測量的完整率統計情況

圖2 各衛星導航系統不同頻點信噪比統計

圖1給出了各衛星系統碼偽距/載波相位/多普勒/信噪比觀測量的數據完整率統計情況。從統計結果來看，各衛星系統內部，不同觀測量的完整率基本一致；BDS的數據完整率最高，都在80 %以上；GLONASS的數據完整率最低，在70 %以下。

圖2 中給出了各系統的不同頻點的信噪比統計情況。從統計結果來看，除GPS的S2W信噪比觀測量外，各系統各頻點的信噪比觀測量都在40 dB以上；QZSS系統的S5X信噪比最好，其值在50 dB以上，此外，GPS的S5X和Galileo的S8X信噪比性能略差于JS5X，其值也在48 dB以上。

圖3中橫坐標為各系統各頻點的多路徑，其編碼衛星系統(同圖2)和多路徑類型標識組成，如“GM1X”中，‘G’表示GPS系統；‘M1X’，表示多路徑類型；縱坐標為各系統各類型碼多路徑值，單位為厘米。

圖3 各衛星導航系統不同頻點碼多路徑統計

圖4中橫坐標為各系統東、北、天3個方向，其編碼由衛星系統(同圖1)和方向屬性(E、N、U分別代表東、北、天3個方向)組成，如GPSU，表示GPS天方向；縱坐標為各系統各方向的定位精度，單位為米。

圖4 各衛星導航系統ENU方向定位精度統計

圖3給出了JFNG站各衛星各頻點的碼多路徑的統計情況。從圖中可看出，BDS和QZSS各頻點碼多路徑互差最小，都在30 cm內；Galileo系統的M8X碼多路徑最小，在10 cm內；SBAS的M1C碼多路徑最大，大于70 cm。

圖4給出了BDS/GPS/GLONASS/Galileo 4個系統在N/E/U方向的定位精度。從圖中可看出，在JFNG站，GPS的SPP精度最好，N和E方向的精度都在1 m以內，U方向精度在2 m左右；GAL的精度僅次于GPS，N和E方向精度在1 m以內，U方向的精度將近3 m；GLONASS的精度最差，U方向精度達6 m。

3 結束語

本文介紹了一種多GNSS數據質量處理分析工具，對該工具的主要算法進行了詳細的介紹，同時對該工具的實際應用進行了分析討論。該工具中的主要算法順應了多GNSS系統的發展趨勢，同時該工具擁有強大的可視化及自動化處理功能，完全能夠靈活地適應于目前多系統、多頻點、多星座的數據質量處理工作。