BDS/GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件開發(fā)及應(yīng)用研究

金　蕾　吉淵明　唐衛(wèi)明　張永峰

1　浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，杭州市保俶北路83號，310012 2　武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢市珞喻路129號， 410079 3　武漢攀達(dá)時空科技有限公司，武漢市大學(xué)園路，430040

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BDS/GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件開發(fā)及應(yīng)用研究

金蕾1吉淵明1唐衛(wèi)明2, 3張永峰2, 3

1浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，杭州市保俶北路83號，310012 2武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢市珞喻路129號， 410079 3武漢攀達(dá)時空科技有限公司，武漢市大學(xué)園路，430040

通過對TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量模塊相關(guān)算法進(jìn)行分析，實現(xiàn)了支持RINEX2、3 格式的BDS/GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件DataQC的開發(fā)，其主要參數(shù)包括數(shù)據(jù)完整率、多路徑指數(shù)、信噪比和周跳等，并增加衛(wèi)星分布狀況以及電離層、接收機硬件延遲偏差估計功能。通過多組數(shù)據(jù)驗證，軟件計算指標(biāo)與TEQC結(jié)果具有較高的一致性；在電離層估計方面，與全球電離層格網(wǎng)(global ionosphere maps, GIM)插值計算結(jié)果的RMS在3 TECu之內(nèi)，并可用于接收機硬件延遲偏差穩(wěn)定性的分析。

BDS；數(shù)據(jù)質(zhì)量分析；電離層建模；多路徑；接收機硬件延遲

TEQC軟件雖提供對北斗數(shù)據(jù)的分析支持，但無法處理RINEX 3格式的數(shù)據(jù)，已有文獻(xiàn)中關(guān)于其指標(biāo)的算法雖有涉及但并不完全。通過對相關(guān)算法的研究分析，本文實現(xiàn)了支持RINEX2、3 格式的BDS/GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件DataQC的開發(fā)，其主要參數(shù)包括數(shù)據(jù)完整率、多路徑值、信噪比和周跳等，并增加電離層與接收機硬件延遲偏差估計、衛(wèi)星分布情況等功能。

1　參數(shù)計算

由于TEQC軟件非開源，本文對其相關(guān)指標(biāo)的計算進(jìn)行說明。在電離層估計方面，采用多項式模型并進(jìn)行分時段建模，通過導(dǎo)航電文進(jìn)行衛(wèi)星與接收機硬件延遲偏差的分離。

1)數(shù)據(jù)完整率。數(shù)據(jù)完整率指標(biāo)反映測站周圍是否具有較高的遮擋物，其值為接收到的偽距/相位觀測值總數(shù)與預(yù)計的觀測值總數(shù)之比(高度角>10°)。預(yù)計觀測值總數(shù)的計算方法為：根據(jù)觀測文件的起止時間和采樣間隔，利用導(dǎo)航文件計算相應(yīng)時刻測站至所有衛(wèi)星的高度角，若計算高度角大于10°，則增加預(yù)計觀測值總數(shù)值。接收到的偽距/相位觀測值總數(shù)通過對觀測文件的遍歷來統(tǒng)計。

2)多路徑(MP)值。TEQC給出的MP1、MP2值分別表示L1、L2載波上的多路徑效應(yīng)對偽距和相位影響的綜合指標(biāo)[1-2]，其值越大，多路徑影響越嚴(yán)重。計算公式為：

(1)

對于三頻觀測數(shù)據(jù)，有：

(2)

3)o/slips。該值為完整觀測數(shù)據(jù)與周跳數(shù)之比，直接反映了數(shù)據(jù)的周跳情況，數(shù)值越小則代表周跳越嚴(yán)重，周圍可能存在較大的干擾源。采用電離層殘差組合(式(3))以及MW組合(式(4))進(jìn)行周跳探測。

(3)

(4)

電離層殘差組合僅包含電離層誤差影響，而電離層的時空變化特性在一般情況下是緩慢的，故由該組合得到的時間序列若出現(xiàn)大于閾值的跳躍則可認(rèn)為出現(xiàn)周跳。MW組合僅包含模糊度和噪聲情況，可以同LG組合同時使用。完整觀測值數(shù)與跳變數(shù)之比即為o/slips。

4)信噪比平均值。信噪比是有用信息和其他噪聲的比值，與衛(wèi)星狀況及周圍觀測環(huán)境有關(guān)。TEQC通過對觀測文件中s1、s2值(接收機所給出的L1、L2相位觀測值的原始信號強度)取平均，給出L1、L2載波上的數(shù)據(jù)信噪比狀況。

5)電離層及硬件延遲偏差估計。本文采用多項式模型并顧及硬件延遲偏差，對單站電離層TEC(total electron content)值進(jìn)行估計。考慮到不同頻率的信號會產(chǎn)生碼間差分偏差，忽略測量噪聲，將GNSS雙頻偽距觀測方程相減后得：

c·DCBR+c·DCBS

(5)

式中，P1、P2為偽距觀測值，δts、δtr為P1、P2碼信號在L1、L2發(fā)射鏈路、接收機端的時延[2]，I1、I2為不同頻率下的電離層改正量，c為真空中光速，DCBR為接收機的硬件延遲偏差，DCBS為衛(wèi)星的硬件延遲偏差，共同稱之為碼間差分偏差DCB(differential code bias)。對部分接收機，忽略該值可引起16 TECu的誤差[3]。將式(5)移項、化簡并代入投影函數(shù)MF后，可得如下觀測方程：

(6)

對于單站數(shù)據(jù)，接收機與衛(wèi)星DCB值可不分離，但考慮到擴展性(即區(qū)域電離層模型建立)，將測站與接收機DCB分離可顯著減少待估計參數(shù)的個數(shù)，有利于提高計算效率。常用的分離接收機和衛(wèi)星硬件延遲的方法為零均值約束，即通過增加所有衛(wèi)星硬件延遲之和為0作為約束條件。但在BDS中，由于在軌衛(wèi)星的高度、空間環(huán)境、衛(wèi)星類型等的差異，上述零均值約束會導(dǎo)致可靠性下降[5]。本文通過導(dǎo)航文件廣播軌道-6給出的TGD(timing group delay)參數(shù)與衛(wèi)星DCB的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行分離，但需要注意GPS與BDS在衛(wèi)星發(fā)射鏈路時延所給出方式的差異[2,6]。采用多項式模型對式(6)中的VTEC進(jìn)行展開：

(7)

式中各參數(shù)含義見文獻(xiàn)[7]。

該多項式模型具有隱含假設(shè)：VTEC隨時間的變化規(guī)律與隨經(jīng)度方向的變化具有一致性[8]。為保持較高的擬合精度，以1 h為時段長度，采用分段線性擬合，在全天觀測值組成的法方程中加入時域連續(xù)性、空域連續(xù)性和平滑的約束，并考慮到接收機DCB的穩(wěn)定性，每個測站在全天觀測時段中僅引入一個待求解的測站DCB，以最小二乘原理為解算準(zhǔn)則即可得到待估參數(shù)的估值。

2　軟件有效性分析

通過C++語言完成支持RINEX2、3 格式的BDS/GPS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件DataQC的開發(fā)。用戶通過程序界面，選擇待分析數(shù)據(jù)的導(dǎo)航文件和觀測文件，并給出保存結(jié)果路徑后可進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。在程序主界面可生成衛(wèi)星星空圖，相應(yīng)的單站VTEC結(jié)果以及測站接收機DCB保存于程序路徑下。

為驗證軟件中給出參數(shù)的正確性，進(jìn)行多測站數(shù)據(jù)分析，包括浙江CORS站網(wǎng)數(shù)據(jù)、中山測站數(shù)據(jù)、海口測站數(shù)據(jù)等(均可提供RINEX2、3格式的GPS+BDS數(shù)據(jù))。以TEQC處理RINEX2.01格式GPS數(shù)據(jù)結(jié)果作為準(zhǔn)確值，將DataQC軟件計算結(jié)果與TEQC進(jìn)行對比。表1為海口測站(HK01)數(shù)據(jù)結(jié)果。可以看出，DataQC的結(jié)果與TEQC具有良好的一致性，并可用于分析北斗三頻數(shù)據(jù)。

為驗證DataQC電離層估計模塊的有效性，將計算得到的測站VTEC值與IGS通過全球約200個測站數(shù)據(jù)得到的GIM插值計算結(jié)果進(jìn)行比對。多測站數(shù)據(jù)表明，估計結(jié)果的量值及變化趨勢與GIM插值結(jié)果都較為一致，其中GPS的誤差保持在2 TECu之內(nèi)，BDS的誤差保持在3 TECu之內(nèi)。圖1為低緯度中山測站2015-08-23數(shù)據(jù)結(jié)果，上圖為由GPS、BDS和GIM分別計算得到的TEC值圖，下圖為GPS和BDS計算結(jié)果與GIM結(jié)果的差值，數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s，截止高度角10°，單層電離層高度與GIM保持一致為450 km。GPS與GIM差值結(jié)果RMS為1.48 TECu，BDS與GIM差值結(jié)果RMS為2.25 TECu。從圖2可以看出，由于BDS GEO為地球靜止衛(wèi)星，導(dǎo)致測站電離層穿刺點分布不均，使得電離層VTEC估計精度不及GPS。

表1　?？跍y站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)對比

圖1　中山測站GPS/BDS/GIM電離層TEC估計、對比結(jié)果時序圖Fig.1　The GPS/BDS/GIM ionospheric TEC estimation and comparison results of ZS01

圖2　單站GPS(左)、BDS(右)星空圖Fig.2　The star charts of GPS (left) and BDS(right)

3　基于ZJCORS的應(yīng)用

浙江省連續(xù)運行參考站網(wǎng)(Zhejiang continuously operating reference stations, ZJCORS)目前正在進(jìn)行北斗升級工作，已順利建成浙江省北斗地基增強系統(tǒng)杭嘉湖試驗網(wǎng)。本文通過DataQC軟件對其8個測站連續(xù)15 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出8個測站的數(shù)據(jù)完整率、多路徑情況、信噪比情況和DCB穩(wěn)定性結(jié)果。圖3為測站分布情況。

數(shù)據(jù)采集時間為2015-07-03～2015-07-17，采樣間隔為30 s，截止高度角為10°。限于篇幅，表2給出了其中4個測站的日均結(jié)果，TEQC列表示使用TEQC軟件分析GPS數(shù)據(jù)的結(jié)果，GPS和BDS列分別為采用DataQC軟件得到的GPS、BDS的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況?？梢钥闯觯?TEQC和DataQC各指標(biāo)在GPS數(shù)據(jù)分析中具有較好的一致性，MP值差異在0.02 m之內(nèi)；BDS數(shù)據(jù)各指標(biāo)均有較好的結(jié)果，即參考站均具有良好的觀測環(huán)境，GPS和BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量符合要求。

圖3　測站分布圖Fig.3　Distribution of stations

測站名TEQCGPSBDSZJCNZJWLZJPHZJYH完整率/%100.00100.0098.00MP1/m0.300.300.28MP2/m0.280.270.22means145.1745.2442.13means232.9432.9542.10完整率/%100.00100.0097.00MP1/m0.290.290.27MP2/m0.280.280.21means144.7344.7341.78means232.2232.2141.88完整率/%100.00100.0099.00MP1/m0.310.290.30MP2/m0.300.280.22means145.0845.0741.86means233.1433.1341.99完整率/%100.0099.0099.00MP1/m0.310.290.29MP2/m0.300.290.22means144.7944.7941.90means233.0533.0642.49

為分析測站接收機硬件延遲穩(wěn)定性，采用本文所述的區(qū)域電離層模型，對8個測站進(jìn)行電離層建模并計算接收機每日的DCB值。圖4給出了各測站GPS和BDS數(shù)據(jù)的接收機DCB標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯觯鳒y站接收機硬件延遲偏差穩(wěn)定性均在1 ns之內(nèi)，具有良好的穩(wěn)定性。

圖4　各測站接收機DCB標(biāo)準(zhǔn)差Fig.4　The STD of DCB of each station

4　結(jié)　語

通過對TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模塊的研究，本文實現(xiàn)了支持RINEX2、3 格式的BDS/GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件DataQC的開發(fā)。對比多組實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，DataQC的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)(數(shù)據(jù)完整率、多路徑MP值、o/slip和信噪比等)結(jié)果與TEQC具有良好的一致性。軟件增加了顧及接收機DCB的單站電離層VTEC建模功能，并可擴展為區(qū)域電離層模型，能夠反映測站電離層情況。將DataQC估計結(jié)果與GIM插值結(jié)果進(jìn)行比較，其RMS小于3 TECu。通過對多天數(shù)據(jù)的處理，可評估測站觀測環(huán)境、接收機數(shù)據(jù)質(zhì)量以及接收機硬件穩(wěn)定性，可用于CORS網(wǎng)的選址、監(jiān)測及GNSS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

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Foundation support:Public Service Technology Application Research Project of Science and Technology Department of Zhejiang Province,No.2014C33048，2016C31123.

About the first author:JIN Lei, assistant engineer, majors in GNSS high precision data processing，E-mail: jlei.damaicha@gmail.com.

Development and Application of BDS/GPS Satellite Data Quality Checking Software

JINLei1JIYuanming1TANGWeiming2, 3ZHANGYongfeng2, 3

1Zhejiang Academy of Surveying and Mapping，83 North-Baochu Road, Hangzhou 310012, China 2GNSS Research Center, Wuhan University，129 Luoyu Road, Wuhan 410079, China 3Positioning Attitude Navigation Direction and Application, Panda，Daxueyuan Road, Wuhan 430040, China

The BDS/GPS data quality checking software DataQC, which supports the RINEX 2 and 3 formats, was developed by analyzing the data quality module of TEQC. The main indexes include data integrity rate, multipath value, signal to noise ratio, cycle slips and so on. The DataQC also supports the estimation functions of ionosphere TEC and receiver differential code bias. The TEC estimated results of both systems are consistent with GIM in magnitude and trend.

BDS; data quality checking; ionosphere modelling; multipath delay; receiver differential code bias

2015-09-01

金蕾，助理工程師，研究方向為GNSS高精度數(shù)據(jù)處理，E-mail：jlei.damaicha@gmail.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.019

1671-5942(2016)09-0837-04

P228

A

項目來源：浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究項目(2014C33048，2016C31123)。