基于GNSS定位的數據質量分析研究

張玉英，張東升，李國柱，鄒盛，周應慧

(1.云南塞維雅測繪技術有限公司，云南 昆明 650000； 2.云南海鉅地理信息技術有限公司，云南 昆明 650000；3.昭通學院地理科學與旅游學院，云南 昭通 657000)

1 引 言

隨著各國在政治、經濟、軍事等領域的快速高質量發展，GNSS的建設已成為一種新的競爭趨勢，GNSS服務在海陸空三大空間站有著廣泛的應用。導航衛星系統的迅猛發展，多系統組合已成為一種趨勢，其中以GPS/BDS/GLONASS/Galileo為代表的全球四大衛星導航系統GNSS(Global Navigation Satellite System)是重要的空間信息基礎設施，在國民經濟建設與國防安全的諸多領域發揮著重要作用[1]。區域CORS系統是地方動態、連續、高精度、統一的空間基準框架，是比較重要的地理信息基礎設施，區域CORS在城鄉規劃、國土測繪、城市建設、土地管理等領域有較大的服務，在測繪地理信息行業能夠起到精準快速的地理空間服務，給社會經濟效益產生了顯著的保障。其定位的時效性、精度和可靠性直接決定了GNSS在科學和工程上的應用價值。在各項服務中GNSS數據的質量將會對其精度及可靠性有一定的影響，特別是在進行GNSS定位之前有必要對觀測的原始數據進行質量評定分析。云南地處低緯度高海拔區域，具有電離層較為活躍等特點，這也將會影響到定位的精度，目前GPS數據質量檢查方法成熟且數據資源豐富，而北斗衛星系統由于具有星座異構分布等特點，從而導致數據質量精度不均勻的特征，數據質量缺少系統全面的質量分析。針對這些特點本文結合TEQC和RTKLIB軟件選取了YNCORS 2018年年積日為032到059的11個測站分別從數據利用率、多路徑誤差、觀測數據與周跳比、信噪比等相關指標對GPS系統、BDS系統、GLONASS系統進行了數據質量分析評估研究。

2 GNSS數據質量誤差因素

從GNSS定位原理得出，GNSS數據質量對GNSS精度及可靠性有較大的影響，其中衛星端、接收機端以及在衛星信號傳播過程中的質量均對GNSS數據質量有關[2，3]。在GNSS數據質量中，影響定位的精度誤差主要因素有以下幾個方面：①衛星端的誤差主要包括衛星軌道誤差、衛星鐘誤差、天線相位纏繞及相對論效應、衛星天線相位中心偏差及變化等[4]；②信號傳播路徑的誤差，主要包括對流層延遲的誤差、電離層延遲的誤差、多路徑效應的誤差等影響；③接收機端的誤差，主要包括接收機的鐘差、接收機的天線相位中心偏差及變化、地球潮汐、地球自轉、測站位置變化等；④其他誤差，如：模型誤差及永久變形誤差等[5，6]。

3 數據質量分析指標方法

衡量GNSS數據質量的指標主要有：數據利用率、多路徑效應、信噪比、周跳比、電離層延遲變化率等幾個方面。目前TEQC是全球公認的功能強大簡易操作的GNSS數據預處理軟件，是由美國衛星導航系統與地殼形變觀測研究大學聯合體UNAVCO Facility研發的，是一款為GNSS監測站的數據管理服務研發的數據處理軟件。其具有對數據格式進行轉換、進行數據編輯與數據質量檢查三大主要功能。當前TEQC能夠支持如Unix、Linux、Windows等多個操作系統。是一款能夠進行多系統數據質量分析軟件、是一款命令行操作的軟件，質量檢查語句命令為“teqc + -nav *****.n_G *****.o_G”將會輸出后綴名為*.s的質量核心結果文件，可對衛星質量情況進行記錄統計。結果文件中sn1、sn2、sn5為信噪比；mp1、mp2為多路徑誤差；%為數據利用率；o/slps為周跳比[7]。RTKLIB是由日本東京海洋大學研發的一款用于GNSS全球導航衛星系統的精密定位的開源程序包，可以支持GPS、BDS、GLONASS等GNSS多系統的定位解算軟件，支持靜態、動態多種定位模式。RTKLIB還能夠較好地兼容多種GNSS標準格式和協議、GNSS接收機專有數據協議格式和一些外部通信，可以滿足實時精密定位應用需求。RTKLIB軟件還具有強大的圖形輸出功能，能夠對原始觀測數據的衛星的skyplot圖、衛星可見性、DOP值、多路徑效應、衛星高度角進行可視化，為GNSS數據質量分析提供了可視化條件[8]。本文結合RTKLIB和TEQC進行數據格式版本轉換、數據編輯以及數據質量檢查，分別對2018年積日為032～059的實驗數據進行數據預處理及質量分析統計，并且對比分析了同一測站上GPS系統、BDS系統、GLONASS系統數據利用率、多路徑效應、周跳、信噪比等質量指標并進行統計，其中時間長度均為 24 h，數據采樣間隔均為 30 s。

4 實驗部分

在進行GNSS定位穩定性分析之前對GNSS原始數據進行質量分析檢查是非常有必要的。低緯度高海拔地區由于其電離層較為活躍，在GNSS定位中也是影響精度的一個重要指標，其數據質量將會對可靠性有一定影響，基于此本實驗分別對GNSS原始觀測數據分別從信噪比、有效歷元數、多路徑效應、周跳比等指標進行GNSS數據質量分析，首先結合TEQC和RTKLIB對數據進行版本格式轉換、數據編輯、質量檢查等，對該區域選取的10個測站2018年年積日為032～059一個月的原始觀測數據進行預處理和質量分析并進行統計，為了方便作圖將測站用(A、B、C……)進行表示。實驗分析研究了同源測站上BDS、GPS、GLONASS三系統進行多路徑效應、數據利用率、信噪、周跳等質量指標且進行了統計，時間長度基本為 24 h，數據采樣間隔為 30 s。

4.1 多路徑效應分析

多路徑效應反應的是測站的觀測環境質量，在GNSS數據觀測中主要是通過對偽距和載波進行觀測，其中多路徑效應誤差是GNSS主要誤差源之一。在GNSS定位中許多誤差是可以通過模型等加以改正的但是多路徑誤差的影響是無法用該方法來消除的，我們可以通過對偽距觀測值和載波相位觀測值來計算多路徑誤差。多路徑誤差計算公式為[9]。

(1)

其中，mp1是l1的多路徑誤差、mp2是l2的多路徑誤差，Nω1、Nω2是整周模糊度，ω1、ω2是偽距觀測值l1、l2是載波相位觀測值，單位均為m。

信號從衛星端到接收機端由于多路徑的影響會有一定的延遲，對此許多學者進行了深入研究得出偽距多路徑效應要比載波相位大約200倍，其誤差影響最大能達到數十米，因此重點對偽距多路徑效應進行了研究[10]。而IGS給出多路徑誤差參考值為mp1<0.5，mp2<0.75，mp1、mp2值越小說明數據質量越好。

本實驗結合2018年年積日為032～038十個測站共7天的同源測站數據，為了能統一標準進行不同系統間多路徑誤差分析，圖1、圖2給出2018年年積日為032～038共7天的多路徑誤差平均值結果。

圖1 多路徑誤差MP1

圖2 多路徑誤差MP2

由圖1、圖2多路徑誤差得出，BDS跟GPS的mp1平均值均小于0.5、mp2平均值均小于0.75，與相同測站GLONASS相比C測站mp1值大于0.5、mp2值則在范圍內，不過總體而言每個系統的多路徑誤差基本都在IGS站給出的范圍內。

4.2 信噪比分析

多路徑的信號疊加到直接信號上導致了信噪比(SNR)的振蕩，多路徑效應與信噪比振蕩值時間序列有著明顯相關性，可以利用信噪比觀測值進行減小多路徑影響[11]。信噪比指載波信號強度和噪聲強度之比，其主要受接收機中相關器狀態、天線增益參數和多路徑效應的影響，它能夠反映出載波相位觀測的質量指標之一。信噪比大小可以從觀測文件的原始數據中來獲取，其值一般在數值1～9之間，數值為1時表示載波的信號強度較弱，數值隨著增大表明信號強度越強，數值為9時表示信號強度較強。如果原始觀測數據中原始信號未經標準化，則可以通過下式進行標準化[12]。

SNR-RNX=min(max(int(SN-RAW)，1)，9)

(2)

其中，SNR-RNX為標準化后的信號強度，int為取整數，SN-RAW為原始信號強度。

信噪比是反映載波觀測值質量、接收機偽距的指標。信噪比值越大，表明數據的質量就越好。在無干擾的環境中性能良好的天線，信噪比一般能夠達到 42 dBHz。通過計算2018年年積日為032～038十個測站并進行同源測站的數據信噪比計算分析得出，如圖3、圖4所示，

圖3 各測站信噪比snr-1

圖4 各測站信噪比snr-2

從圖3、圖4得出snr-1三系統信噪比值基本相當，而從圖4得出snr-2中GLONASS信噪比值低于BDS跟GPS但是其值都在40以上，說明該研究區域各測站測信號比較平穩。且BDS、GPS的snr-2值大于snr-1值，snr-2值BDS大于GLONASS的，由此推出信號頻率、高度角、衛星類型等均會對信噪比有一定的影響。

4.3 周跳比分析

周跳比也是影響GNSS定位數據質量的一個重要因素，衛星在歷元上任一頻率、任一載波相位上受到外界影響時發生跳變現象則視為衛星在該歷元處發生了周跳。一般使用電離層殘差和M-W組合方法來進行周跳探測，一般周跳比用觀測值(O)與周跳比值(Slps)來表示即O/Slps。IGS站提供的周跳比參考值為200，其中比值越大則跳變越小質量越好，反之則跳變嚴重質量越差。通常用CSR表示每千歷元周跳數，公式為：

(3)

各系統各頻點觀測到的衛星總數都會影響到周跳比的大小，通過計算2018年年積日為032-059十個觀測站一個月的測站數據進行GPS、BDS、GLONASS之間的周跳比分析其值都大于200能夠滿足IGS站給出的參考值范圍。

4.4 電離層延遲變化率分析

頻率l1、l2之間的電離層延遲存在下列關系[13]：

(4)

若l1、l2的載波在對流層中傳播路徑相同，則l1、l2的電離層延遲可以表示為：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，χi、χi-1為對應歷元(i、i-1)時刻，如果電離層延遲變化率(IOD)大于 400 cm/min時，表明在該歷元處發生了跳變。

4.5 數據利用率

數據利用率是反映觀測數據的可用性與完整性，是GNSS定位中評判數據質量的重要指標之一，通常利用GNSS數據觀測中參與解算的觀測值跟理論觀測值的百分比表示。數據利用率低，將會影響到定位的穩定性和可靠性，這樣需要對接收機及周圍環境進行分析選擇合適的觀測站址，如果測站高度角在10。以上時在觀測時段內，數據利用率要大于80%[15]。

本實驗通過對2018年年積日為032～059的數據完整率進行計算，如圖5所示。

圖5 各數據利用率

由圖5得出，GPS數據利用率最高，除了測站I、J兩個測站外BDS的數據利用率大于GLONASS。三系統之間有一定的差異但是三個系統每個測站的數據利用率基本都在90%以上，均能滿足參考值為90%標準。

5 結 論

本文利用低緯度高海拔區域2018年年積日為032～059的10個測站從多路徑誤差、周跳比、信噪比、數據利用率等方面進行了GNSS數據質量分析研究得出以下結論：

(1)多路徑指標分析得出L1頻率上多路徑效應都在0.5以內，L2頻率上多路徑效應在0.75以內，其中BDS多路徑誤差基本都小于GPS及GLONASS，但是三個系統的值均在IGS站給出的參考值范圍內說明該區域的接收環境比較好。

(2)信噪比指標，通過計算該選定區域信噪比都在 42 dBHz以內，而在無干擾的環境中性能良好的天線，信噪比一般能夠達到 42 dBHz表明該區域的測站觀測信號平穩。

(3)周跳比指標，通過實驗計算分析得出GPS、BDS、GLONASS三個系統周跳比值均大于200，滿足IGS站給出的o/slps參考值視為合格。

(4)數據完整率指標GPS、BDS、GLONASS三個系統的數據利用率都在90%以上。

總體來說，通過利用TEQC軟件和RTKLIB軟件相結合的方式能夠對GNSS定位數據進行全面的質量分析評估，得出該實驗區域接收環境等方面信號平穩觀測環都比較理想，各指標值均滿足IGS站給出的參考值，該研究區域GNSS數據質量良好滿足GNSS定位的要求。