北斗衛星全球IGS跟蹤站數據質量分析

張宇琳，王友昆,2，余章蓉，丁仁軍，寸壽才

(1.昆明市測繪研究院，昆明 650051；2.武漢大學 測繪學院，武漢 430079；3.昆明理工大學 津橋學院，昆明 650106)

北斗導航衛星系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是為滿足我國軍事、民用對實時高精度定位的需求而建立的衛星導航系統[1]，系統的建設分為3個階段：1994—2003年建立BDS-1系統，為中國用戶提供定位、導航和短報文服務；2004—2012年建立BDS-2系統，期間共發射14顆衛星(5顆GEO衛星、5顆IGSO衛星和4顆MEO衛星)；2020年，我國建設完成BDS-3基本系統，進一步擴展服務區域，為全球用戶提供實時定位服務。BDS-3的出現標志著我國成為繼美國、俄羅斯之后，第三個擁有自主建設全球衛星定位系統的國家[2]。

國際GNSS服務(International GNSS Service，IGS)是國際大地測量協會為支持全球衛星定位導航技術發展建立的協作組織，截至2009年，IGS地面跟蹤站的數量已經達到422個[3-5]，可以為全球大地測量和衛星定位研究學者提供豐富的全球GNSS數據樣本和產品。

目前，BDS二代已經建設完成，BDS三代也處于發射完成的后續調整過程中[6-8]，因此，文中利用IGS全球跟蹤站點的數據作為研究樣本，以BDS二代衛星作為研究對象，分3項指標對可接收到BDS信號的IGS站點進行數據質量分析。

1 IGS站點北斗數據質量分析

1.1 IGS北斗站點分布情況

文中選取IGS全球站點中302個站點2020年DOY165的GNSS數據作為實驗樣本，其站點分布情況如圖1所示。從緯度方向觀察，IGS站點主要分布在80°S～80°N之間，其中北半球站點數量為216，南半球站點數量為85。從經度方向觀察，東半球站點數量為169，西半球站點數量為132。

將圖1的302個IGS站點按照能否接收到BDS衛星信號進行劃分，其分布情況如圖2所示。可以接收到BDS衛星信號的站點有222個，無法接收到BDS衛星信號的站點有80個，其中東半球可以采集BDS數據的站點有144個，占東半球站點總數的85.2%；西半球可以采集BDS數據的站點有78個，占西半球站點總數的59.1%。

圖1 IGS站點分布情況

圖2 IGS站點北斗可接收情況

按照洲為單位進一步分析可以發現，歐洲地區可接收到BDS信號的站點最多，北美地區可接收到BDS信號的站點最少。

1.2 北斗數據質量分析指標

對于采集到的數據，首先進行數據完整率統計分析。數據完整率是表現接收機性能和衛星系統數據特征的第一個指標。通過數據完整率，可以判斷站點采集的數據在頻點、衛星系統指標上是否滿足建設的需求，其次關注站點采集時數據丟失的情況，可以反映接收機數據采集的性能。在處理過程中，首先會根據頭文件的觀測值類型、采樣時間間隔和時長判斷當前觀測值文件理論上具備的觀測值數量，之后再統計實際的觀測值數量，兩者之比即為該觀測值文件的數據完整率。

(1)

式中：integrity為數據完整率;Obs_r為實際觀測值數量;Obs_t為理論觀測值數量。

MP數值反映的是觀測信號在某信號頻率上多路徑效應的影響[9-10]。MP值越小，站點周圍環境越好，接收機抗多路徑效應的能力越強。多路徑效應算式如下：

(2)

式中：Pi為第i頻率上的偽距觀測值;φi,φj分別為第i和第j頻率上的相位觀測值;α為第一和第三頻率fi,fj之比的平方，即α=(fi/fj)2。

由式(2)可知，傳統的多路徑誤差公式是一種偽距與載波觀測值的組合公式。根據式(2)，每一個采樣時間點對應一個MP數值，最終可以得到MP數值的時間序列，然后對該時間序列進行STD統計得到最終多路徑效應的結果[11-13]。

信噪比是表明GNSS信號強度的一種指標，一般在30～50 dB/Hz之間[14-15]。信噪比的數值越高，表明衛星信號質量越好。目前IGS站點使用的接收機具備輸出各個頻點信噪比的功能，在進行數據質量分析時，可以直接讀取觀測文件中的信噪比觀測值，用于分析接收機、天線對信號的追蹤能力。

2 實驗與分析

文中通過FTP協議訪問IGS站點的方式進行數據采集，得到的觀測數據是crx格式的，需要利用crx2rnx軟件進行格式轉化，得到Rinex格式的數據。觀察得到的Rinex數據文件發現，不同的IGS站點數據格式不一致，轉化后得到的文件具有Rinex 3.02、Rinex 3.03和Rinex 3.04等不同版本，利用RTKLIB的convbin軟件可以進行數據格式版本統一，將采集得到的數據統一為Rinex 3.02版本。在Rinex 3.02中，BDS數據信息如表1所示。表1中的“t”分別為“I”“Q”“X”，表示不同的信道或碼。

表1 Rinex 3.02的BDS數據信息

然后利用自開發的數據質量分析軟件，對每個站點BDS數據進行數據完整率、多路徑誤差和信噪比計算。數據處理策略如表2所示。

表2 實驗處理策略

2.1 數據完整率分析

由于衛星播發機制和接收機性能的不同，獲取的觀測文件中，部分站點數據會存在系統性的頻點缺失現象，這種缺失不是站點數據質量較差導致的，需要結合衛星、接收機的拒聽情況進行分析，因此，文中將每顆衛星最多能采集到觀測值類型數量與歷元數的積作為理論觀測值數量。222個站點數據完整率的實驗結果如圖3所示。

圖3 IGS站點北斗衛星數據完整率

觀察圖3可以發現,222個站點的數據完整率分布在13%～100%之間，其中數據完整率達到93%以上的站點有131個，占總站點數量的59.0%，所有測站北斗信號的數據完整率均值為83.0%。對所有站點的數據完整率進行直方圖統計，統計結果如圖4所示。

圖4 IGS站點北斗衛星數據完整率分布

2.2 多路徑誤差分析

由式(2)可知，采用多路徑誤差算式得到MP時間序列，需要進一步處理才可以得到所需的站點多路徑誤差數值。式(2)中運用偽距觀測值和相位觀測值，而相位觀測值由于遮擋或其他情況發生周跳時，MP序列也會出現跳變，因此在進行統計計算時，需要進行預處理，TEQC軟件的思路是采用周跳探測結合窗口平滑的方法，文中利用周跳探測方法將序列進行分段，然后進行STD計算處理，得到多路徑誤差數值。最終得到的匯總結果如圖5所示。

圖5 IGS站點多路徑誤差

分析圖5可以發現，大量站點的多路徑誤差分布在0.10～0.5 m之間，部分多路徑誤差高于0.5 m的標準值，最大的多路徑誤差可達1.93 m，該值出現在NCKU站點的MP21。同時分析發現GLPS站無多路徑誤差計算結果，原因是該站點僅接收B1頻點的數據，無法進行多路徑誤差的計算。綜合所有測站統計發現，能采集到B1頻點數據的站點有222個；能采集到B2頻點數據的站點有221個；能采集到B3頻點數據的站點有165個，如表3所示。

表3 頻點與接收站點數量

為進一步觀察MP的分布規律，將多路徑誤差的結果進行直方圖統計，如圖6所示。

由圖6可以發現，IGS站點不同頻點的多路徑誤差分布存在細微的數值差別，在0.25～0.50 m之間，MP31的站點百分比要遠高于其他兩個頻點；在0.50～2.00 m之間，MP12的站點較多，百分占比最高，但是MP12低于0.50 m的站點較少。其次，所有有效站點3個頻點的多路徑誤差均值分別為1.02 m、0.85 m、0.76 m。

圖6 IGS站點多路徑誤差直方圖

2.3 信噪比分析

最后進行北斗3個頻點信噪比的統計分析，結果如圖7所示。觀察圖7可以發現，信噪比觀測值數量與表3的規律一致，說明所有IGS站點都能采集有效頻點的信噪比觀測值。

圖7 IGS站點信噪比均值

從信噪比的分布規律來看，可以發現不同站點之間信噪比的差值較小，3個頻點信噪比的最大值、最小值和均值如表4所示。

表4 3個頻點信噪比 dB/Hz

由表4可知，在北斗的3個頻點信號中，B2頻點的信噪比均值最大，信號強度最好，B1頻點的信號在IGS全球站點中最穩定，B3頻點的信號強度較大，但是信號強度并不穩定。

3 北斗三代IGS站點的使用

最后文中利用下載的數據，進行全球IGS站點北斗三代數據采集情況的統計。北斗三代分兩個階段建設完成，一是試驗階段，衛星發射時間為2015年3月30日至2016年2月1日，PRN號為C31、C56、C57、C58；二是建設階段，衛星發射時間為2017年11月5日至2020年6月23日，PRN號為C19-C30、C32-C46、C59-C61。

北斗三代致力于建設全球定位導航衛星系統，因為北斗三代的衛星主要是MEO衛星，包含試驗階段的4顆衛星，整個北斗三代總共有34顆衛星，由3顆GEO衛星(C59-C61)、5顆IGSO衛星(C31、C38-C40、C56)和26顆MEO衛星組成。

此外，北斗三代衛星信號的頻率組成也發生變化，與除了兼容表1中的全部頻點(將原B1改為B1-2，Rinex識別為C2t、L2t、D2t和S2t)，新增加B1、B2a、B2信號，并對原B2信號增加新的編碼。目前，Rinex 3.04中，北斗信號的數據信息如表5所示。

表5 Rinex 3.04的BDS數據信息

統計之前下載的站點數據，發現：可接收北斗二代的站點除CAS1，HRAG，ONS1，TWTF和USN9站外，均可采集北斗三代的數據，其中可采集到北斗三代新信號的站點有64個，可采集到北斗全部信號的站點有28個。

4 結 論

文中介紹BDS的建設進展與IGS全球站點的分布情況，并將IGS全球站點按照能否接受BDS信號進行區分，之后從數據完整率、多路徑誤差和信噪比3個方面對全球222個IGS站點的BDS數據進行質量分析，并對上述站點的各項指標進行分析，得到BDS二代衛星全球應用的部分規律，同時對IGS站點北斗三代的觀測情況進行研究。

通過文中的研究，可以發現：①85.2%的東半球IGS站點可以接收到BDS數據，59.1%的西半球IGS站點可以接收到BDS數據；②222個可接收BDS信號的站點可以接收B1信號的有222個，可接收B2信號的有221個，可接收B3信號的有165個；③可接收BDS信號的站點多路徑誤差分布有明顯區別，3個頻點的多路徑誤差均值分別為1.02m、0.85m、0.76m；④BDS 3個頻點中，B1信號最為穩定，B3信號穩定性最差，B2信號強度最大。⑤目前IGS站點中可觀測到北斗三代新信號的站點較少，本次實驗的302個站點中僅64個站點可采集。