基于Anubis的北斗觀測數據質量分析

丁志鵬 賀凱飛 邱立杰 韋永僧

1 中國石油大學(華東)海洋與空間信息學院，青島市長江西路66號，266580

目前針對BDS數據質量檢核的研究很多，Cai等[1]基于零基線雙差方法分析BDS-2的噪聲及多路徑效應，結果表明，B1頻段的偽距多路徑誤差最大，均值達到0.36 cm；Yang等[2]介紹了BDS-3系統的基本性能，并提出改進定位、導航及授時業務的方法；Zhu等[3]通過分析BDS-3的新信號B1C及B2a發現，其定位性能與GPS及Galileo相當，但這些研究主要是針對C37以下的星座展開的。為評估BDS-3衛星組網完成后的觀測數據質量，本文選取亞太及境外其他地區共5個測站連續10 d的觀測數據，使用Anubis軟件[4]，從多路徑誤差、數據完整率及周跳等方面進行分析，并利用可視化腳本對BDS和GPS數據進行多維度對比。

1 數據質量分析

選取5個MGEX連續跟蹤站2020年doy210～219的觀測數據(為更好地分析北斗的全球定位性能，選擇的5個測站中有2個測站在中國境內(URUM，WUH2)，另外3個測站在國外(POTS,SGOC,SUTM ))，利用Anubis軟件對數據進行質量檢核。具體的測站信息如表1所示，測站數據的采樣間隔為30 s。

表1 測站信息

將處理得到的連續10 d的質量檢核結果中數據利用率及多路徑效應取平均值，得到表2。表中，HavEp與UseEp分別表示理論歷元數與有效歷元數，MP表示多路徑誤差，其下標分別對應不同頻段，CSR為周跳比。參與計算的GPS平均衛星數為30顆，BDS平均衛星數為29顆，包含13顆BDS-2衛星和16顆BDS-3衛星。

由表2可知，在數據完整率方面，5個測站的觀測數據質量均較好，BDS數據的利用率均為100%；GPS方面，除POTS站外，其他站點的數據利用率都在97%以上。2個系統的多路徑誤差均低于55 cm，GPS中多路徑誤差最高的為SGOC站，MP2達到32.27 cm；BDS的多路徑誤差最大值出現在POTS站，MP2達到了52.16 cm。整體來看，BDS系統各個頻段的多路徑效應都比GPS表現差。在周跳比方面，2個系統除URUM站的數據略高外，其他各站均低于1，符合規范要求。

表2 數據質量分析

2 數據可視化分析

為更好地研究BDS的數據質量，對檢核結果進行可視化分析，并著重觀察C37以上BDS的數據質量狀況。

2.1 星座運行軌跡及可見衛星數

圖1為2個系統POTS站2020年doy210的星座運行軌跡示意圖，圖中橫坐標為衛星方位角，縱坐標為高度角。從圖中可以看出，隨著BDS-3的建成，BDS系統的天空軌跡構型更加完整，衛星導航系統星座已逐漸完善，服務由區域性向全球性轉變。與BDS-2衛星相比，其星座構型更加密集和均勻。

圖1 星座運行軌跡Fig.1 Constellation trajectory

圖2為測站具體的可見衛星數統計，圖中橫坐標為時間，縱坐標為接收機可跟蹤到的衛星數，其中多頻用彩色表示，單頻用黑色表示。由圖2可知，WUH2站BDS全部可見衛星數大多數時段為15顆，最少也達到12顆；而每個測段平均觀測到的GPS衛星數僅有8顆左右。即使是國外的POST站，在BDS-3衛星提供在軌服務后，記錄到的衛星數最高也可達到14顆，最少有9顆。同一時段所觀測到的BDS衛星平均數比GPS多，可以增強其星座的幾何結構，提高定位精度。

圖2 多/單衛星統計Fig.2 Multiple/single satellite statistics

2.2 數據可用歷元及周跳數量

圖3為2個系統數據質量檢核結果的匯總信息，主要包括數據的完整率、剔除的觀測數據及由于衛星失鎖造成的周跳數量，圖中橙色代表BDS系統，綠色代表GPS系統。從圖3(a)可以看出，POTS站2個系統的數據利用率都達到100%；從圖3(b)可以看出，BDS系統刪除的歷元數較GPS多，刪除率較高。圖3(c)中，GPS和BDS均出現不同程度的衛星失鎖及信號擾動現象，反映該地區的觀測環境在變差。

圖3 觀測數據質量統計Fig.3 Observation data quality statistics

2.3 偽距多路徑效應以及信噪比

圖4和5分別統計了2020年doy 210 POTS和WUH2站BDS所有頻段的偽距多路徑誤差時間序列。從圖中可以看出，POTS站各個頻段的多路徑誤差都比WUH2站對應頻段的多路徑誤差波動大；對于同一站點，B1I(MP2)頻段偽距多路徑誤差最大，B3I和B2b(MP6和MP7)的多路徑誤差較小。考慮到B1I和B3I是過渡信號，能夠同時觀測到BDS-2和BDS-3衛星，所以處理BDS雙頻數據時可優先選用這2個頻段進行組合計算。

圖4 POTS測站偽距多路徑誤差時間序列Fig.4 Time series diagram of pseudo distance multipath error at POTS station

圖5 WUH2測站偽距多路徑誤差時間序列Fig.5 Time series diagram of pseudo distance multipath errorat WUH2 station

選取GPS的M2X頻段和BDS的M2I頻段進行多路徑效應隨觀測時段的變化分析，結果如圖6所示，圖中點越密集，說明該時段的多路徑效應越嚴重。可以看出，2個系統的點位密集程度相當。以BDS(黃色)為例，相比于其他時段，12：00～14：00各波段上的點較稀疏，說明此時多路徑效應的影響較小，有利于對觀測時段進行把握，以獲得質量更高的數據。

圖6 多路徑效應時間序列Fig.6 Time series of multipath effect

針對C37以上BDS星座研究不充分的問題，選取C40、C44、C59三種不同軌道類型的衛星進行分析。圖7為WUH2站2020年doy210衛星各頻段多路徑誤差隨高度角變化的情況。可以看出，IGSO和MEO衛星的多路徑誤差都呈現隨高度角下降而發散的情況，MEO衛星還因數據缺失比較嚴重出現數據中斷的情況；GEO衛星的高度角較大且無明顯變化，對應的多路徑誤差較小且變化平緩。對比所有頻段的多路徑效應發現，在所有類型軌道的衛星中，B1I頻段的多路徑效應最嚴重。

圖7 WUH2站BDS-3衛星多路徑誤差Fig.7 Multipath errors of BDS-3 satellites at WUH2 station

信噪比受觀測環境及接收機跟蹤捕獲信號能力的影響，能夠反映測距信號的水平。BDS不同軌道衛星各頻段的信噪比隨高度角的變化情況如圖8所示。從圖中可以看出，IGSO和MEO衛星隨高度角的增大，其信噪比也逐漸變大，在22～60 dB-Hz范圍內變化；因GEO衛星的高度角穩定，2個頻段的信噪比變化不明顯，在46～48 dB-Hz范圍內波動，對于 BDS-3的IGSO和MEO衛星，B1I 頻段信噪比要低于其他頻段，B2b和B2a+B2b頻段的信噪比較高。

圖8 WUH2站BDS-3衛星信噪比Fig.8 Signal-to-noise ratio of BDS-3 satellites at WUH2 station

2.4 偽距單點定位

圖9為偏差氣泡圖，用來表示各個方位偽距單點定位的精度偏差情況，圖形中心為0 m偏差，距離中心越遠，半徑越大，說明點位偏差越嚴重。

以國內外2個測站為例進行分析，選取2020年doy 215的POTS和WUH2站數據處理結果。從圖9可以看出，對于境外的測站，BDS的點相對于GPS更加分散；而對于亞太地區，BDS與GPS的點位都比較集中，說明點位偏差不大，二者的定位性能相當。

圖9 偏差氣泡圖Fig.9 Deviation bubble chart

3 結 語

本文選取了國內外5個MGEX跟蹤站連續10 d的觀測數據，利用Anubis軟件，從數據完整率、周跳和多路徑效應等方面對GPS和BDS的數據質量進行檢核，結果表明：

1) 所有測站中，BDS數據利用率為100%，GPS除POTS站為77.35%外，其他測站均大于97%，滿足規范要求；BDS的MP比GPS略大，2個系統的MP值均小于55 cm；周跳比除URUM站外，其他4個測站均小于1。

2) 隨著BDS-3在全球布網的完成，BDS系統的天空軌跡密集且分布均勻，可見衛星數增多，偽距單點定位精度與GPS相當。

3) BDS-3的GEO衛星高度角較大且無明顯變化，對應的多路徑誤差較小且變化平緩。IGSO和MEO衛星的多路徑誤差呈現出隨高度角減小而發散的情況，而隨著高度角的增大，兩者的信噪比也逐漸增大；GEO衛星的高度角穩定，其B1I和B3I頻段的信噪比變化不明顯，都在46～48 dB-Hz范圍內。對于所有頻段來說，B1I(MP2)的偽距多路徑誤差最大、信噪比最低。