星載GPS/BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估與分析

吳瓊寶，趙春梅

(1.煤炭工業(yè)濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院有限公司，濟(jì)南 250031；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

0 引言

隨著低軌衛(wèi)星應(yīng)用越來越廣泛，星載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)融合觀測數(shù)據(jù)確定低軌衛(wèi)星精密軌道成為衛(wèi)星定軌技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。目前，星載全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)接收機(jī)搭載在各種低軌衛(wèi)星上并且回傳的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，性能良好，根據(jù)回傳數(shù)據(jù)定軌精度達(dá)到厘米級(jí)[1-6]。國內(nèi)部分低軌衛(wèi)星搭載了星載多模接收機(jī)，采用其回傳的觀測數(shù)據(jù)確定其精密軌道是低軌衛(wèi)星試驗(yàn)任務(wù)的重要內(nèi)容，同時(shí)星載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)觀測數(shù)據(jù)定軌對(duì)我國衛(wèi)星和航天信息安全具有重要的意義。

對(duì)星載觀測數(shù)據(jù)精密定軌，觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量是影響其定軌精度的關(guān)鍵因素之一，同時(shí)也是低軌衛(wèi)星定軌精度和可靠性的保障。它受衛(wèi)星的健康狀況、接收機(jī)及天線、測站環(huán)境等因素的影響。目前，國內(nèi)外公認(rèn)的比較優(yōu)秀的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估軟件是由美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)開發(fā)的TEQC(translation，editing and quality checking)，其以GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估為核心，并具備數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯、偽距定位等功能[7]。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

低軌衛(wèi)星在太空中處于高速運(yùn)動(dòng)，易受復(fù)雜環(huán)境的影響；而星載GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量高低是衛(wèi)星精密定軌的關(guān)鍵，分析觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量必不可少。影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素包括電離層延遲、多路徑效應(yīng)以及接收機(jī)噪聲等。

GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核的主要指標(biāo)為多路徑效應(yīng)(MP1、MP2)、周跳比(O/slps)和觀測數(shù)據(jù)的完整性。其中：MP1、MP2分別為L1、L2頻率上的多路徑觀測誤差；觀測值總數(shù)與發(fā)生周跳的觀測值數(shù)之比稱為周跳比，它直接反映了數(shù)據(jù)周跳的情況，比值越大，表明周跳越少，反之則越多；數(shù)據(jù)的完整性反映了星載設(shè)備的性能和數(shù)據(jù)量的大小，直接影響低軌衛(wèi)星定軌精度。此外還包括電離層影響誤差、電離層延遲變化率、衛(wèi)星的可見性、信噪比(single-noise ratio，SNR或S/R)和其他相關(guān)參數(shù)。

1.1 衛(wèi)星可見性

星載觀測數(shù)據(jù)中每個(gè)歷元的觀測衛(wèi)星數(shù)可以直觀地反映低軌衛(wèi)星接收機(jī)的跟蹤情況?？梢娦l(wèi)星數(shù)越多，可減小幾何精度衰減因子、采用其定軌的精度越高。對(duì)于BDS，衛(wèi)星的可見性分析較為重要。目前在軌可用于導(dǎo)航的BDS衛(wèi)星數(shù)為15顆，其中5顆為高軌衛(wèi)星，星歷精度較低；而低軌衛(wèi)星上搭載的BDS接收機(jī)性能不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收異常，對(duì)衛(wèi)星定軌精度影響較大。

1.2 多路徑誤差

多路徑誤差作為影響星載數(shù)據(jù)質(zhì)量與低軌衛(wèi)星定軌精度的重要因素之一，其估計(jì)值能夠直觀地反映觀測數(shù)據(jù)的優(yōu)良。L1和L2(BDS接收機(jī)為B1和B2)頻率上的多路徑誤差可通過偽距觀測值和載波相位觀測值的線性組合來估計(jì)[8]，即

(1)

1.3 數(shù)據(jù)有效率與利用率

數(shù)據(jù)有效率為刪除觀測值數(shù)與所有觀測量類型數(shù)據(jù)量之比，在TEQC軟件中的表示為deleted observations/complete observations。

數(shù)據(jù)利用率為完整觀測值的歷元數(shù)與預(yù)期歷元數(shù)之比，完整觀測值為歷元的觀測值同時(shí)具有碼觀測量C1或P1、C2或P2，以及相位觀測量L1和L2等4種類型的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)有效率和利用率作為星載觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)值，反映了接收機(jī)采集數(shù)據(jù)的性能與穩(wěn)定性。對(duì)于星載BDS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的利用率較為重要，利用率低說明數(shù)據(jù)質(zhì)量差，對(duì)定軌結(jié)果影響較大。

1.4 電離層延遲變化率

星載雙頻觀測數(shù)據(jù)的電離層延遲為

和方差(SSE)為3.838，確定系數(shù)(R-square)為0.962 1，調(diào)整后確定系數(shù)(Adjusted R-square)為0.957 4，均方根(RMSE)為0.399 9。

(2)

式中：L1和L2分別為f1和f2頻率上的載波觀測量，單位為m；n1和n2為整周模糊度；m1和m2分別為f1和f2頻率上的多路徑效應(yīng)；λ1和λ2分別為f1和f2頻率對(duì)應(yīng)的載波波長。

TEQC軟件檢核觀測數(shù)據(jù)模塊中計(jì)算電離層延遲變化率為

(3)

式中：j為歷元編號(hào)；tj為歷元j的時(shí)刻，如果iod變化率大于400 cm/min，則認(rèn)為存在周跳。

1.5 周跳比

周跳比為實(shí)際觀測的歷元數(shù)與周跳數(shù)的比值，用以說明觀測數(shù)據(jù)的周跳情況。周跳探測采用Melbourne-Wǜbbena(MW)無電離層組合與電離層殘差法。地面靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的周跳比通常會(huì)大于200，星載接收機(jī)處于高動(dòng)態(tài)環(huán)境中，由于低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度快、相鄰歷元間電離層延遲變化較大、接收機(jī)空間環(huán)境差、多路徑效應(yīng)影響等原因，會(huì)造成星載觀測數(shù)據(jù)的不連續(xù)性或衛(wèi)星信號(hào)的失鎖，從而導(dǎo)致星載數(shù)據(jù)會(huì)較之地面觀測數(shù)據(jù)存在更多的周跳。周跳比越大、周跳個(gè)數(shù)越少，低軌衛(wèi)星定軌精度越高。

1.6 信噪比

數(shù)據(jù)的信噪比SNR是指接收的載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，單位為dBHz。信噪比能夠反映接收信號(hào)的質(zhì)量，地面接收機(jī)的數(shù)值一般在45 dBHz左右，其值越高，相應(yīng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量越好[9-10]。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文選取FY3C衛(wèi)星2016-06-08—2016-06-17(年積日第160天至第169天)共10 d的星載GPS/BDS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。

2.1 衛(wèi)星可見性

年積日第160天的星載GPS、BDS觀測數(shù)據(jù)可見性情況如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可知：FY3C衛(wèi)星星載接收機(jī)最多能接收到6顆BDS衛(wèi)星和12顆GPS衛(wèi)星；BDS數(shù)據(jù)存在較長時(shí)間缺失的情況。表1為衛(wèi)星數(shù)與歷元的統(tǒng)計(jì)百分比。

星載BDS數(shù)據(jù)平均超過60 %的歷元可見衛(wèi)星數(shù)少于3顆，無法進(jìn)行衛(wèi)星軌道解算；星載GPS數(shù)據(jù)每個(gè)歷元觀測到的導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)基本為7～12顆，比例接近80 %，接收機(jī)的性能良好。

表1 FY3C星載數(shù)據(jù)衛(wèi)星可見數(shù)百分比統(tǒng)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)利用率與有效率

星載GPS、BDS數(shù)據(jù)的利用率和有效率情況如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可知：FY3C衛(wèi)星星載GPS數(shù)據(jù)的利用率接近100 %，數(shù)據(jù)的有效率較低，平均為74 %；星載BDS數(shù)據(jù)的利用率較低，平均為88 %，有效率較好。

2.3 多路徑誤差

星載GPS、BDS數(shù)據(jù)的多路徑誤差如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知：FY3C衛(wèi)星星載BDS數(shù)據(jù)L1頻率上的多路徑誤差較大，L2頻率上的多路徑誤差低于GPS數(shù)據(jù)。

2.4 信噪比

星載GPS、BDS數(shù)據(jù)的信噪比情況如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可知：FY3C衛(wèi)星星載BDS數(shù)據(jù)L1頻率上的噪聲略低于GPS數(shù)據(jù)；L2上的噪聲略高于GPS數(shù)據(jù)；信噪比均在正常范圍內(nèi)。

2.5 周跳比

星載GPS、BDS數(shù)據(jù)的觀測值與周跳比的情況如圖9、圖10所示。

由圖9和圖10可知，F(xiàn)Y3C衛(wèi)星星載BDS數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)的周跳比在相同數(shù)值水平。

2.6 評(píng)估指標(biāo)平均值統(tǒng)計(jì)

表2總結(jié)了FY3C衛(wèi)星星載GPS/BDS數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估結(jié)果。

表2 FY3C衛(wèi)星星載GPS/BDS數(shù)據(jù)評(píng)估指標(biāo)平均值統(tǒng)計(jì)

由表2可知：星載BDS數(shù)據(jù)的利用率低于星載GPS數(shù)據(jù)，有效率高于GPS數(shù)據(jù)，原因是觀測數(shù)據(jù)量的差異；星載BDS數(shù)據(jù)在L1頻率上的多路徑誤差大于星載GPS數(shù)據(jù)，其他評(píng)估指標(biāo)正常。

3 結(jié)束語

本文主要介紹了星載GPS/BDS觀測數(shù)據(jù)評(píng)估指標(biāo)及其目的。通過對(duì)FY3C衛(wèi)星回傳的實(shí)例數(shù)據(jù)評(píng)估了星載GPS/BDS數(shù)據(jù)的質(zhì)量特征。星載BDS數(shù)據(jù)的利用率低于GPS數(shù)據(jù)，說明接收機(jī)數(shù)據(jù)丟失較多；而有效率高于GPS數(shù)據(jù)，原因是觀測數(shù)據(jù)量的差異：當(dāng)二者同時(shí)達(dá)到一定水平則可說明接收機(jī)的性能較好。在多路徑誤差方面，星載BDS數(shù)據(jù)的多路徑誤差數(shù)值與GPS數(shù)據(jù)接近。通過信噪比、周跳比與電離層變化率數(shù)值的比較，結(jié)果說明星載BDS的數(shù)據(jù)質(zhì)量接近GPS數(shù)據(jù)。

[1] SVEHLA D，ROTHACHER M.Kinematic and reduced-dynamic precise orbit determination of low earth orbiters[J].Advances in Geosciences，2003，1(1)：47-56.

[2] MONTENBRUCK O，HELLEPUTTE T V，KROES R，et al.Reduced dynamic orbit determination using GPS code and carrier measurements[J].Aerospace Science & Technology，2005，9(3)：261-271.

[3] 胡國榮，歐吉坤.星載GPS低軌衛(wèi)星幾何法精密定軌研究[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20(1)：32-39.

[4] 劉經(jīng)南，趙齊樂，張小紅.CHAMP衛(wèi)星的純幾何定軌及動(dòng)力平滑中的動(dòng)力模型補(bǔ)償研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2004，29(1)：1-6.

[5] 李建成，張守建，鄒賢才，等.GRACE衛(wèi)星非差運(yùn)動(dòng)學(xué)厘米級(jí)定軌[J].科學(xué)通報(bào)，2009，54(16)：2355-2362.

[6] 趙春梅，唐新明.基于星載GPS的資源三號(hào)衛(wèi)星精密定軌[J].宇航學(xué)報(bào)，2013，34(9)：1202-1206.

[7] 趙春梅，程鵬飛，益鵬舉.基于偽隨機(jī)脈沖估計(jì)的簡化動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星定軌方法[J].宇航學(xué)報(bào)，2011，32(4)：762-766.

[8] 白征東，吳剛祥，任常.北斗觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查與分析[J].測繪通報(bào)，2014(6)：10-13.

[9] 余文坤，戴吾蛟，楊哲.基于TEQC的GNSS 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及預(yù)處理軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，30(5)：81-85.

[10] 劉志強(qiáng)，黃張?jiān)?，金建?利用衛(wèi)星高度角和信噪比提高GPS定位精度的試驗(yàn)分析[J].測繪工程，2008，17(4)：54-58.