監測站數據綜合監測處理與評估技術

張 軻，姚 旭，劉 揚

(1.中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068；2.西安財經大學，陜西 西安 710100)

0 引 言

監測站用于采集偽距和載波相位等原始觀測數據，并向數據處理中心提供這些數據用于高精度軌道、鐘差、電離層改正等處理，為系統基本導航業務和星基增強業務提供數據支持。然而，監測站在實際接收衛星信號的過程中，由于電磁干擾、多徑等因素，觀測數據可能會出現異常，可能會對數據處理中心進行衛星精密定軌、系統完好性監測和增強處理等產生嚴重的影響。

為了保證數據處理中心使用數據的準確性，降低數據處理中心數據運算的風險和壓力，監測站在將觀測數據傳送至數據處理中心之前，必須對原始觀測數據進行數據質量綜合分析處理，保證發送到數據處理中心的觀測數據的質量。本文提出了一種監測站綜合監測處理與評估技術，實現對原始觀測數據進行合理性檢驗和一致性檢測、信號質量監測、數據質量監測、測量值質量監測等，從而確保了監測站發送到數據處理中心的觀測數據的質量，為數據處理中心提供了可靠的基礎數據。

1 觀測數據質量綜合監測處理技術

利用觀測數據質量綜合監測處理技術對每臺接收機的數據首先進行觀測數據合理性檢驗，然后分別進行信號質量監測、數據質量綜合監測和測量值合理性監測。信號質量監測包括載噪比檢測和碼-載波偏離度檢測；數據質量綜合監測進行衛星星歷驗證；測量值質量監測主要包括載波相位平滑碼偽距變化量檢測。接著對多路接收機的數據綜合進行觀測數據一致性檢測，最后將觀測數據質量綜合監測結果進行存儲和實時顯示，存在數據質量有異常情況時，進行告警和上報。處理流程如圖1所示。

圖1 監測處理評估技術流程圖

2 觀測數據合理性檢驗

觀測數據是衛星接收機對外輸送的主要數據信息，觀測數據合理性檢驗就是對接收機狀態、偽距、載波相位、載噪比、多普勒頻移等數據進行檢測，以判別測量值的明顯誤差。監測方法主要包括檢測接收機反饋工作狀態，分析觀測數據數值合理性，以及對觀測數據時序進行擬合處理。

2.1 接收機狀態分析

監測接收機實時反饋自身工作情況，通過檢測接收機工作狀態信息可以判斷當前接收機各個通道接收衛星信息是否正常，以及整個接收機工作是否正常。

2.2 數值范圍的合理性檢驗

監測接收機輸出的偽距、載波相位、載噪比、多普勒頻移等數據正常的情況下，應在一定的范圍內，檢測這些數據，如果超出對應范圍(門限值)，可以認為這些數據不合理，對這些數據進行標識。

門限值的確定如下：收取長時間的數據，然后對這些數據進行統計處理，計算相應數據的均值和方差，通過對均值和方差的分析確定合適的門限值。

2.3 時間序列上的擬合預測分析

偽距是觀測數據中反映衛星與站點距離變化的重要參數，在一定時間內偽距的變化應該是連續的、有平滑特性的。當異常情況發生時，在某段時間內的偽距就會發生跳變，打破原有的連續特性，據此可以判斷偽距的合理性。

在一定時間內，偽距值y與時間x之間滿足y=ax+b的線性關系，利用連續10個歷元的偽距數據，使用最小二乘法來計算偽距的變化率a和截距b，計算公式如下所示：

(1)

(2)

在短時間內，衛星相對于監測站的位置穩定，此時衛星運動速度、接收機和衛星鐘速也相對穩定，假設均為a。已知前一時刻偽距值，通過剛假設的短時內偽距變化率a，可估算當前時刻偽距值：

(3)

(4)

dP的絕對值與檢測門限值作比較，若小于門限值，則檢測通過，認為該秒的偽距觀測值合理；若大于門限值，則檢測不通過，認為該秒的偽距觀測值有問題。

3 信號質量監測

經過觀測數據合理性檢驗的數據，可以視為接收機輸出的合理數據，但合理數據并不一定是可靠的、有效的數據，如何判斷評估數據的有效性和可靠性，就需要進一步分析處理。首先，需要對檢驗完畢的數據信息在信號層面的質量進行監測評估。信號質量監測主要用于檢測衛星信號在傳輸過程中沒有發生跳變，并保證信號傳輸功率滿足系統要求，這里可以通過對載噪比檢測和碼-載波偏離度檢測來實現。

3.1 載噪比檢測

使用載噪比檢測衛星信號需要對監測接收機當前所有可視衛星的每個頻點的載噪比(C/N0)分別進行計算分析[1]。方法如下：

計算接收機m接收到的衛星n在當前時刻與上一時刻載噪比的平均值：

C/N0_avg,m,n(k)=

(5)

將平均后得到的載噪比值同設置的檢測門限值進行比較，若大于門限值，則檢測通過；若小于門限值，接收機很難從噪聲中將信號分離出來，則檢測不通過。

由于監測接收機可視衛星的俯仰角變化直接影響該衛星的載噪比，仰角和載噪比呈現正相關特性，因而檢測門限是按照衛星仰角10°一個臺階進行設置的。

門限值的確定如下：收取長時間的數據，然后對這些數據進行統計處理，計算相應數據的均值和方差，通過對均值和方差的分析，確定合適的門限值。

3.2 碼-載波偏離度檢測

碼-載波偏離度檢測用于探測電離層風暴并確保對于任何給定的衛星碼和載波的偏離度足夠小[2]。通常使用GMA(Geometric Moving Averaging)方法來估算碼-載波偏離度D(k)。

計算接收機m接收到的衛星n的Dm,n(k)：

Dm,n(k)=

(6)

式中：τs為時間常數，通常取為100 s；Ts為數據更新率；z為原始的碼減載波值，dz是當前時刻與上一時刻z的差值。

對于接收機m接收到的衛星n，計算zm,n(k)：

zm,n(k)=ρm,n(k)-φm,n(k)=

2Im,n(k)+Mm,n(k)-Nm,n(k)λ

(7)

式中：ρ為碼偽距；φ為載波相位；I為電離層延遲；M為多徑誤差；N為整周模糊度；λ為波長。

計算當前時刻與上一時刻z的差值dzm,n(k)：

dzm,n(k)=zm,n(k)-zm,n(k-1)=

2(Im,n(k)-Im,n(k-1))+

(Mm,n(k)-Mm,n(k-1))-

(Nm,n(k)-Nm,n(k-1))λ=

2(Im,n(k)-Im,n(k-1))+

(Mm,n(k)-Mm,n(k-1))

(8)

若當前沒有載波周跳，則上式中的整周模糊度Nm,n會被消去，若有載波周跳，則GMA濾波器需要重置。

4 數據質量監測

經過信號層面質量監測評估后，數據的實際有效性也需要進一步進行質量分析處理，以便剔除無效數據。

由于接收機接收到的可視衛星星歷在一段時間內相對穩定，因此數據質量監測可以通過對可視衛星的星歷對比監測來分析導航數據是否可靠，具體方法如下：

對每顆衛星的星歷數據進行驗證。連續跟蹤衛星播發的星歷數據，采用連續多組星歷數據計算同一時刻衛星位置信息，如果結果相對差異較大，超過一定范圍，則認為星歷檢測異常。方法如下：

用新星歷計算k時刻衛星位置p1：

(9)

式中：rx1、ry1、rz1為用新星歷計算的衛星三維位置坐標。

用舊星歷計算k時刻衛星位置p2：

(10)

式中：rx2、ry2、rz2為用舊星歷計算的衛星三維位置坐標。

對于衛星s，第k時刻，計算新舊星歷計算的衛星位置差的絕對值：

Δps=|p1s(k)-p2s(k)|

(11)

將Δps與相應的檢測門限值相比較，若Δps大于檢測門限值，則對相應衛星標注未通過檢測標識。

門限值的確定：收取長時間的數據，然后對這些數據進行統計處理，計算相應數據的均值和方差，通過對均值和方差的分析確定相應的門限值。

5 測量值質量監測

接收機輸出的觀測數據包括一部分連續的測量值，因此測量值監測是通過分析某一時段連續偽距、載波相位等觀測量的連續性，以檢測突然的階躍和其它的快變誤差。測量值質量監測主要包括載波平滑碼變化量檢測。

載波相位觀測量在一段時間內變化量與偽距碼變化量表現出一定的相關性，可以利用相鄰的2個時刻碼偽距和載波相位變化量來計算原始的偽距碼觀測量的沖擊與階躍誤差[3]。這種方法使用載波相位觀測量的變化值，平滑分析碼偽距觀測量。具體處理方法如下：

(1) 對每臺接收機的每顆衛星進行HATCH濾波，計算平滑碼偽距值Ps,m,n：

φm,n(k)×λ-φm,n(k-1)×λ)

(12)

式中：k為時間點；Ns=τs/Ts，τs為時間常數，取值為100 s，Ts為原始觀測量的采樣間隔；Pm,n為碼偽距觀測量；φm,n為載波相位觀測量；λ為波長。

(2) 根據平滑碼偽距值計算統計量值sInnom,n：

sInnom,n(k)=Pm,n(k)-(Ps,m,n(k-1)+

φm,n(k)×λ-φm,n(k-1)×λ)

(13)

式中：各符號代表的含義與(1)中相同。

(3) 將統計結果sInnom,n的絕對值與預先設置的統計量閾值TsInno進行差值分析，若二者差值小于零，則認為碼偽距正常，若二者差值大于零，同時連續出現3次，則產生1個異常標志，認為碼偽距異常。

統計量閾值TsInno是通過統計各種衛星類型和不同的衛星仰角分別進行加權處理后預設的。這些對閾值的處理可以提高檢測的準確性，進而提高載波平滑碼變化量檢測的精度。

為了進一步提升觀測數據質量監測性能，將載噪比檢測、碼-載波偏離度檢測、衛星星歷驗證、載波平滑碼變化量檢測的結果進行綜合處理和邏輯判決，最大程度地對各種異常情況進行全面的檢測，有效降低觀測數據異常的漏檢和誤檢概率。

6 觀測數據一致性檢測

監測站觀測數據通常會有多臺接收機作為數據來源，這樣一來可以通過對多路數據來源進行平行驗證，通過計算多路偽距和載波相位在同一時段的一致性檢測處理，分析出該時段的可用衛星和數據正常的接收機。偽距與載波相位一致性分析方法大體相同，下面以偽距為例介紹檢測方法。

對每個偽距測量值求它的距離修正值，公式如下：

PRC=ρ-D+c·(B-ΔB·Δt)-c·(I+T)

(14)

式中：ρ為偽距測量值，此處使用的是多徑消除后的偽距；D為衛星和用戶之間的真實距離；B為衛星所發射的鐘偏差；ΔB為衛星鐘漂；T為對流層延遲；I為電離層延遲；c為光速。

計算距離修正值與接收機m中所有衛星距離修正值平均值的差異：

(15)

式中：m為接收機號；n為衛星號；Sc為接收機跟蹤的所有衛星集合；Nc為集合Sc的成員個數。

計算所有接收機中衛星n的距離修正值的平均值：

(16)

式中：Sn為對衛星n有效測量的接收機的集合；M(n)為集合Sn的成員個數。

衛星n的B值是通過計算當前衛星所有接收機距離平均值和排除當前接收機之外的距離平均值做差得到的改正參數：

(17)

當Sn變化或接收機對衛星失鎖時，B值需要重置。

以北斗二號6號衛星為例，使用北斗時間200周，190 000 s之后約1 h的數據進行觀測數據一致性檢測，B值-時間分布圖如圖2所示。

圖2 北斗二號6號星B值-時間分布圖

從圖2可以看出，3號接收機誤差超過了門限值，相對其他兩臺而言精度損失較大。對相同時間段的北斗二號其它衛星進行距離修正參數B值的統計，現象類似，1號接收機和2號接收機B值小于預設閾值，3號接收機B值超過預設閾值，綜合判斷3號接收機一致性檢測不通過。

7 結束語

本文通過綜合分析監測站數據質量的信號有效性、數據可用性、測量值合理性等多種途徑實現了監測站數據質量綜合監測處理技術的攻關，經過多年實際應用驗證，能夠有效對傳輸給數據處理中心的觀測數據進行質量綜合監測評估。