全球不同氣候帶對(duì)BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響分析

俞樹山，蔡曉軍，趙彥軍，孫萬勝，董 泉

（甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，蘭州 730000）

0 引言

當(dāng)前全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）迅速發(fā)展，其中美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）已具備全球?qū)Ш蕉ㄎ荒芰?，我?guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system,BDS）和歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system,Galileo）計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш蕉ㄎ?，此外，還有一些地區(qū)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，如日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（Quasi-zenith satellite system, QZSS），印度的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Indian regional navigation satellite system, IRNSS）等，這些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，使全球?qū)Ш叫l(wèi)星數(shù)量迅猛增長(zhǎng)。在國(guó)際GNSS服務(wù)組織（International GNSS Service, IGS）的推動(dòng)和支持下，發(fā)起了多模 GNSS實(shí)驗(yàn)跟蹤網(wǎng)（multi-GNSS experiment, MGEX），專注于收集和分發(fā) GNSS數(shù)據(jù)，因此對(duì)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即北斗三號(hào)（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制變得非常重要[1]。但是目前對(duì)大范圍的 BDS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量情況尚缺乏系統(tǒng)、全面的認(rèn)識(shí)，當(dāng)前主要是基于國(guó)家級(jí)基準(zhǔn)站BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)[2]、少量實(shí)際BDS測(cè)試數(shù)據(jù)[3-4]、MGEX站觀測(cè)數(shù)據(jù)[5]等，對(duì)BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。此外，還有一些區(qū)域 BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)參與了研究分析[6-7]，這些研究結(jié)果表明：極區(qū)BDS導(dǎo)航衛(wèi)星受到高度角影響，信噪比整體偏低。由于當(dāng)前BDS在全球的觀測(cè)數(shù)據(jù)有限，除亞太地區(qū)以外，全球其他地區(qū)的BDS數(shù)據(jù)分析結(jié)果也較少，因此，本文提出以科彭-蓋格爾（Koppen-Geiger）全球氣候分類為基礎(chǔ)，利用阿努比斯（Anubis）軟件，對(duì)不同氣候區(qū)域內(nèi)，2018年每個(gè)月第一天的MGEX站的BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過數(shù)據(jù)完整率、周跳比、多路徑效應(yīng)及信噪比等評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)定數(shù)據(jù)質(zhì)量。

目前常用的 GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件主要有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、元數(shù)據(jù)編輯及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查（translation,editing and quality checking, TEQC）、格弗茲爾恩克斯（gfzrnx）及Anubis，其中g(shù)fzrnx和 Anubis均支持接收機(jī)自主交換格式（receiver independent exchange format, RINEX）3.0x格式，但gfzrnx的質(zhì)量檢查功能相對(duì)簡(jiǎn)單，且只有Anubis是開源的[8]。Anubis可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)定位，并提供高度角和方位角相關(guān)的 GNSS數(shù)據(jù)特征；預(yù)處理模式用于重建接收機(jī)時(shí)鐘跳變影響的觀測(cè)結(jié)果，并提出了一種新的編碼多徑檢測(cè)算法，該算法支持所有的信號(hào)、頻帶和 GNSS星座，因此本文選擇多模GNSS和多頻數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的Anubis軟件，來處理BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文首先介紹了全球氣候區(qū)域劃分，然后介紹數(shù)據(jù)質(zhì)量分析內(nèi)容與方法，再對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行定量定性分析與統(tǒng)計(jì)，最后給出結(jié)論。

1 全球氣候區(qū)域劃分與數(shù)據(jù)來源

1.1 全球氣候區(qū)域劃分

政府間氣候變化專門委員會(huì)（The Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）是聯(lián)合國(guó)評(píng)估與氣候變化相關(guān)科學(xué)的機(jī)構(gòu)，在IPCC發(fā)布的《關(guān)于氣候變化的綜合報(bào)告》（Synthesis Report about Climate Change）中指出，一個(gè)地區(qū)的氣候系統(tǒng)是由5個(gè)主要部分組成：即大氣，水圈，冰凍圈，巖石圈和生物圈。根據(jù)這份報(bào)告，本文將研究可能與氣候相關(guān)的環(huán)境因素對(duì)全球BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)影響。

Koppen-Geiger氣候分類系統(tǒng)是由德國(guó)科學(xué)家科彭在1884年提出的，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)將氣候分為5大類和30個(gè)子類型，它是基于閾值和每月氣溫和季節(jié)性的降水進(jìn)行氣候分類的。2006年，該系統(tǒng)被精細(xì)地繪制成空間分辨率為 0.083°的世界地圖。文獻(xiàn)[9]提供了一套精度更高（0.008 3°）的 Koppen-Geiger全球氣候劃分?jǐn)?shù)據(jù)，來描繪當(dāng)前（1980—2016年）和預(yù)測(cè)未來（2071—2100年）、分辨率為1 km的全球氣候地圖，現(xiàn)在的地圖是由 4幅高分辨率地形校正的氣候地圖組成[9]。

時(shí)至今日，Koppen-Geiger氣候分類系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用到許多以氣候條件的不同為條件的應(yīng)用和研究中，如生態(tài)模型或氣候變化影響評(píng)估等。Koppen-Geiger氣候分類是一種非常合適的方法，可以將復(fù)雜的氣候梯度聚合成一個(gè)簡(jiǎn)單但具有生態(tài)意義的分類方案。

本文采用當(dāng)前（1980—2016年）最新改進(jìn)的Koppen-Geiger氣候分類，其分辨率為 0.0083°（赤道約1 km），根據(jù)不同的氣候區(qū)域劃分測(cè)站，然后對(duì)每個(gè)氣候區(qū)域內(nèi)所有測(cè)站的 BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行質(zhì)量分析，探討不同氣候帶（即赤道，干旱，溫帶，寒帶，極地）和緯度變化對(duì)對(duì)全球BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。氣候分類與測(cè)站分布如圖1所示。圖1中：紅色代表 A 區(qū)域，表示赤道區(qū)（Equatorial）；黃色代表 B 區(qū)域，表示干旱區(qū)（Arid），綠色代表 C 區(qū)域，表示溫帶（Temperate）；青色代表D區(qū)域，表示寒帶（Snow）；灰色代表E區(qū)域，表示極區(qū)（Polar）。

圖1 本文選取的全球MGEX站點(diǎn)與Koppen-Geiger氣候分類圖【審圖號(hào)GS（2021）3659號(hào)】

各氣候區(qū)域內(nèi)測(cè)站數(shù)量和占比如表1所示。

表1 各氣候區(qū)域內(nèi)測(cè)站數(shù)量和占比

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)源于MGEX提供的全球BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為最新的 RINEX3.0x格式，采用Anubis數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件進(jìn)行處理。為了減少計(jì)算量，并能有效得出一年中不同氣候區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)特性，選取2018年每個(gè)月第一天的數(shù)據(jù)，共計(jì)12天。

然后將全球MGEX站按照 Koppen-Geiger氣候分類劃分為 5個(gè)區(qū)域，這些測(cè)站與不同的氣候區(qū)域相關(guān)聯(lián)。將同一天內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)、在不同氣候區(qū)域內(nèi)求得平均值，代表該區(qū)域的數(shù)據(jù)質(zhì)量綜合評(píng)估指標(biāo)，然后分析全年不同氣候區(qū)域?qū)DS觀測(cè)數(shù)據(jù)影響的統(tǒng)計(jì)特性。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析內(nèi)容與方法

2.1 數(shù)據(jù)完整率與周跳比

數(shù)據(jù)完整率是指觀測(cè)時(shí)段中數(shù)據(jù)的可用性和完好性，它不僅反映了觀測(cè)環(huán)境的影響程度，也體現(xiàn)了接收機(jī)性能的優(yōu)劣[10]。數(shù)據(jù)完整率的定義為

式中：Have(i)為第i顆衛(wèi)星的實(shí)際觀測(cè)值數(shù)量；Expt(i)為第i顆衛(wèi)星理論觀測(cè)值數(shù)量。

周跳比（O/Slps）是一種通過對(duì)可觀測(cè)數(shù)據(jù)在周跳歷元中的占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法[11]。周跳比表示觀測(cè)值和周跳的比值, 它能夠直接反映出觀測(cè)數(shù)據(jù)的周跳情況。O/Slps的參考值為200，O/Slps值越小，說明觀測(cè)數(shù)據(jù)的周跳越嚴(yán)重[12]。周跳比的計(jì)算公式為

式中：obs(i)為第i顆衛(wèi)星的實(shí)際觀測(cè)值個(gè)數(shù)；slps(i)為第i顆衛(wèi)星的周跳個(gè)數(shù)。

2.2 多路徑效應(yīng)

由多個(gè)路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)被稱為多路徑效應(yīng)[13]。多路徑效應(yīng)的大小與測(cè)站周邊環(huán)境的好壞有很大的相關(guān)性，多路徑誤差的分析結(jié)果，有助于接收機(jī)性能評(píng)估及測(cè)站周邊環(huán)境好壞的判斷[8]。

針對(duì)多模多頻的多路徑效應(yīng)估計(jì)，Anubis建立了一個(gè)新的通用公式，通過偽距和載波相位觀測(cè)值的線性組合，可以對(duì)所有 GNSS的雙頻觀測(cè)值進(jìn)行多路徑估計(jì)[14]，計(jì)算公式為：

式中：MP為偽距多路徑效應(yīng)；P為雙頻偽距觀測(cè)值；L為雙頻載波相位觀測(cè)值；f為頻率；k、i、j為頻率索引。

因?yàn)樵撍惴ㄖ挥靡粋€(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)滑移檢測(cè)法，來對(duì)多路徑線性組合進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估計(jì)，所以不需要對(duì)所有涉及的GNSS星座進(jìn)行特定的預(yù)處理。

2.3 信噪比

信噪比（signal-noise ratio,SNR）是指接收機(jī)接收到的載波信號(hào)功率與噪聲功率譜密度的比值，稱為載噪功率密度比，通常表示為C/Nφ，單位為dB·Hz。信噪比不僅能較好地反映接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量，還能反映接收機(jī)內(nèi)部抑制噪聲的能力。因此，信噪比是反應(yīng)載波相位觀測(cè)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[15]。信噪比值越大，表明信號(hào)質(zhì)量越好，觀測(cè)精度越高，反之則相反。

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)分析

通過Anubis軟件計(jì)算出的5個(gè)氣候區(qū)域全年12天的數(shù)據(jù)完整率如圖2和表2所示。

圖2 數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)

表2 各氣候區(qū)域內(nèi)測(cè)站數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)表

從圖2及表2中可以看出，5個(gè)氣候區(qū)域的數(shù)據(jù)完整率大體呈現(xiàn)出一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，E區(qū)域 12天的數(shù)據(jù)完整率均值最高，但是標(biāo)準(zhǔn)差最大，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較為分散，波動(dòng)較大，其主要是因?yàn)闃O區(qū)的環(huán)境變化復(fù)雜，其次是因?yàn)闃O區(qū)的測(cè)站較少，對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了一定的影響。

B區(qū)域的數(shù)據(jù)完整率次之，這主要是因?yàn)锽區(qū)域?yàn)楦珊祬^(qū)域，氣候干燥，測(cè)站受到天氣變化的影響較小，測(cè)站數(shù)據(jù)完整率相對(duì)較高；A區(qū)域的數(shù)據(jù)完整率幾乎與B區(qū)域相當(dāng)，筆者認(rèn)為A區(qū)域主要分布在赤道附近，受高度角影響較小，所以數(shù)據(jù)完整率亦相對(duì)較高。并且A區(qū)域和B區(qū)域的數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)結(jié)果相對(duì)比較集中。C區(qū)域和D區(qū)域的數(shù)據(jù)完整率大體持平，但均低于其他氣候區(qū)域。

3.2 周跳比統(tǒng)計(jì)分析

圖3和表 3顯示了5個(gè)氣候區(qū)域周跳比統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖3中可以看出有明顯的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在A區(qū)域中，O/Slps值非常分散，總體趨勢(shì)隨年積日的增加而逐漸增大，變化范圍從1 744.15至11 105.58，中位數(shù)為4 015.75。B區(qū)域、C區(qū)域、D區(qū)域、E區(qū)域中的O/Slps值均相對(duì)比較集中，中位數(shù)分別為4 839.39、2 256.6、789.24、1 052.5。其中 B區(qū)域O/Slps值的中位數(shù)最大，該區(qū)域?yàn)楦珊祬^(qū)，觀測(cè)環(huán)境相對(duì)較好；D區(qū)域 O/Slps值的中位數(shù)最小，該區(qū)域?yàn)榉e雪區(qū)，積雪對(duì)信號(hào)傳播會(huì)產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致周跳比較低。

圖3 周跳比統(tǒng)計(jì)

表3 各氣候區(qū)域內(nèi)測(cè)站周跳比統(tǒng)計(jì)表

3.3 多路徑效應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析

目前對(duì)于 BDS的數(shù)據(jù)質(zhì)量已有大量文獻(xiàn)做了系統(tǒng)全面的分析。與GPS不同，BDS由于星座異構(gòu)和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)質(zhì)量與站點(diǎn)區(qū)域較為相關(guān)[3]。所以本節(jié)主要通過各區(qū)域內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，來探討多路徑效應(yīng)與站點(diǎn)區(qū)域之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。圖4顯示了B1I與B2I頻率多路徑誤差統(tǒng)計(jì)圖。從圖4中可以看出：A區(qū)域、B區(qū)域和E區(qū)域內(nèi)測(cè)站的多路徑誤差相對(duì)較小；D區(qū)域最大；C區(qū)域次之，各氣候區(qū)域內(nèi)測(cè)站B1I與B2I頻率多路徑誤差的統(tǒng)計(jì)量如表4所示。

表4 各氣候區(qū)域內(nèi)測(cè)站多路徑誤差的統(tǒng)計(jì)量單位：cm

圖4 B1I和B2I頻率多路徑統(tǒng)計(jì)

D區(qū)域內(nèi)B1與B2頻率多路徑誤差均最大，主要是因?yàn)镈區(qū)域?yàn)楦吆e雪區(qū)域，積雪對(duì)信號(hào)的多路徑影響較大。C區(qū)域內(nèi)多路徑誤差相對(duì)較大，其可能的原因是溫帶氣候四季分明，氣候多變，導(dǎo)致其對(duì)路徑誤差略大。相反A區(qū)域、B區(qū)域和E區(qū)域氣候變化相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)多路徑誤差的影響較小。

3.4 信噪比（SNR）統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)5個(gè)氣候區(qū)域內(nèi)各測(cè)站12天的載噪比均值及統(tǒng)計(jì)量如圖5和表5所示。由圖5可以看出，各氣候區(qū)域內(nèi)BDS B1I和B2I信號(hào)信噪比的相關(guān)性比多路徑效應(yīng)的相關(guān)性弱，兩個(gè)信號(hào)在各區(qū)域內(nèi)并無統(tǒng)一規(guī)律可循，就B2I信號(hào)而言，其曲線的大致趨勢(shì)與MP2呈負(fù)相關(guān)，不同的氣候帶對(duì)BDS B2I信號(hào)的信噪比的影響機(jī)制與MP2大致相反。

圖5 B1I和B2I頻率信噪比統(tǒng)計(jì)

表5 各氣候區(qū)域內(nèi)測(cè)站信噪比統(tǒng)計(jì)量單位：dB

由圖5可以看出，各氣候區(qū)域內(nèi)BDS B1I和B2I信號(hào)信噪比的相關(guān)性比多路徑效應(yīng)的相關(guān)性弱，兩個(gè)信號(hào)在各區(qū)域內(nèi)并無統(tǒng)一規(guī)律可循，就B2I信號(hào)而言，其曲線的大致趨勢(shì)與 MP2呈負(fù)相關(guān)，不同的氣候帶對(duì) BDS B2I信號(hào)的信噪比的影響機(jī)制與MP2大致相反。

而對(duì)于B1I信號(hào)，E區(qū)域內(nèi)的信噪比值最小，C區(qū)域次之，其余三個(gè)區(qū)域的信噪比值大致持平。如前所述，C區(qū)域?yàn)闇貛^(qū)，四季分明，氣候多變，對(duì) BDS B1I的信噪比產(chǎn)生一定的影響。E區(qū)域信噪比的值最小，可能是因?yàn)闃O區(qū)復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)BDS B1I信號(hào)產(chǎn)生了較大的影響。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)Koppen-Geiger氣候分類系統(tǒng)，將全球范圍的 82個(gè) MGEX站進(jìn)行分類，利用Anubis軟件計(jì)算出的四項(xiàng)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同氣候區(qū)域內(nèi)的MGEX站、2018年BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出各區(qū)域內(nèi)相關(guān)測(cè)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）對(duì)于 A區(qū)域，一年內(nèi)的 O/Slps值非常分散，多路徑效應(yīng)誤差最小，信噪比最高，A區(qū)域?yàn)槌嗟绤^(qū)，從緯度變化的角度考慮，其觀測(cè)條件要優(yōu)于其他幾個(gè)區(qū)域。

2）B區(qū)域的數(shù)據(jù)完整率和O/Slps值均相對(duì)較高，多路徑效應(yīng)誤差最小，信噪比相對(duì)較高，主要是因?yàn)?B區(qū)域氣候干燥，衛(wèi)星信號(hào)受到環(huán)境因素的影響較小，所以該區(qū)域內(nèi)測(cè)站觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量整體較高。

3）C區(qū)域?yàn)闇貛^(qū)，該區(qū)域內(nèi)的多路徑誤差相對(duì)較大，其余各項(xiàng)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)在5個(gè)區(qū)域中處于中等水平，其可能的原因是溫帶氣候四季分明，氣候多變，可能是產(chǎn)生上述現(xiàn)象的因素。

4）對(duì)于D區(qū)域，數(shù)據(jù)完整率和O/Slps值均最低，多路徑效應(yīng)誤差最大，B1I頻率的信噪比最高，B2I頻率的信噪比最低，主要是因?yàn)镈區(qū)域?yàn)楦吆e雪、高緯度區(qū)，積雪對(duì)衛(wèi)星信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)測(cè)站觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量整體較差。

5）E區(qū)域數(shù)據(jù)完整率比較分散，周跳比與信噪比均較小，多路徑效應(yīng)更加嚴(yán)重，可能是因?yàn)闃O區(qū)復(fù)雜的電磁環(huán)境和分布在高緯度的測(cè)站，對(duì)BDS信號(hào)的多路徑效應(yīng)和信噪比等產(chǎn)生較大的影響。

總體而言，5個(gè)氣候區(qū)域中，B區(qū)域觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量整體最高，D區(qū)域整體最差，A區(qū)域和 C區(qū)域處于中間水平，E區(qū)域?yàn)闃O區(qū)，信噪比最低。本文的分析結(jié)果可作為對(duì)全球 MGEX站 BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的初步了解，也可以為大尺度的站點(diǎn)選取提供參考依據(jù)。

由于 BDS全球組網(wǎng)正在進(jìn)行，且全球多系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)也處于發(fā)展之中，所以全球 BDS觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量較少，而且分布不均勻，這些因素都會(huì)影響本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果。隨著BDS全球組網(wǎng)的逐步完成，以及全球多系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的逐步完善，將會(huì)有更加準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這將是后續(xù)進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容。