GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量及常見(jiàn)問(wèn)題分析

帥瑋祎，董緒榮，王 軍，李禎東

(1.裝備學(xué)院，北京 101416；2.93787部隊(duì)，北京 100076)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到國(guó)家發(fā)展、人民生活的方方面面。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)接收機(jī)作為接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航和授時(shí)功能的終端，是導(dǎo)航系統(tǒng)同用戶的接口，聯(lián)系的紐帶[1-2]。GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量是接收機(jī)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)，也是GNSS向用戶提供各項(xiàng)服務(wù)的基礎(chǔ)。根本上來(lái)說(shuō)接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量直接反映了服務(wù)性能的優(yōu)劣。通過(guò)數(shù)據(jù)分析也可以檢測(cè)出導(dǎo)航系統(tǒng)、接收機(jī)及天線周?chē)h(huán)境的各類(lèi)問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)建設(shè)和用戶應(yīng)用都具有實(shí)際意義[3-5]。

當(dāng)前對(duì)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量的核驗(yàn)主要采用的是TEQC軟件[6-8]，方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)較為單一，并沒(méi)有形成系統(tǒng)分析方法。因而本文給出了一種綜合利用TEQC、GAMIT、RTKLIB三款軟件進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量核驗(yàn)的方法，給出了相應(yīng)質(zhì)量核驗(yàn)指標(biāo)的定義；以北京市全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)3個(gè)基準(zhǔn)站上北斗三模接收機(jī)和GPS/GLONASS雙模接收機(jī)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用本文提出的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量核驗(yàn)，并對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析；最后結(jié)合分析結(jié)果和實(shí)地勘測(cè)結(jié)果，給出了個(gè)別基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)出現(xiàn)問(wèn)題的原因，提出改善建議，并對(duì)改善后該站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，驗(yàn)證建議的實(shí)用性。

1 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)基礎(chǔ)理論

結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的研究工作，數(shù)據(jù)質(zhì)量分析所采用的指標(biāo)主要有數(shù)據(jù)利用率、多路徑效應(yīng)、周跳、信噪比等[9-10]。結(jié)合接收機(jī)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，本文采用5種參數(shù)作為評(píng)價(jià)接收機(jī)靜態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量的指標(biāo)。

1)數(shù)據(jù)利用率。數(shù)據(jù)利用率反映了數(shù)據(jù)的完好性和可用性[11]，表征了衛(wèi)星高度角大于或等于截止高度角上數(shù)據(jù)中碼數(shù)據(jù)、載波相位數(shù)據(jù)的完整性。接收機(jī)故障或環(huán)境干擾可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率過(guò)低。

ratio=Obscomplete/Obspossible.

(1)

其中，Obscomplete為觀測(cè)數(shù)據(jù)中的完整歷元數(shù)，Obspossible為理論上可以觀測(cè)到的歷元數(shù)。

2)偽距測(cè)量噪聲誤差。偽距定義為信號(hào)接收時(shí)間tu(t)與信號(hào)發(fā)射時(shí)間t(s)(t-τ)之間的差異與光速c的乘積[12]，考慮大氣折射效應(yīng)對(duì)光速的影響，偽距觀測(cè)方程式為

ρ(t)=r(t-τ,t)+c(δtu(t)-δts(t-τ))+

cI(t)+cT(t)+Mρ+ερ(t).

(2)

其中，r為衛(wèi)星和接收機(jī)之間的幾何距離，τ為信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)所需的實(shí)際傳播時(shí)間，δtu為接收機(jī)時(shí)鐘鐘差，δts衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差，I為電離層延遲，T為對(duì)流層延遲，Mρ為多路徑誤差，ερ為偽距測(cè)量噪聲量，代表了所有沒(méi)有直接體現(xiàn)在式(2)中的各種誤差總和。

3)載波相位測(cè)量值。接收機(jī)除了從衛(wèi)星信號(hào)中獲得偽距測(cè)量值以外，還有一個(gè)基本測(cè)量量為載波相位，其精度較高，在精密定位中起到了關(guān)鍵性作用[13]。其觀測(cè)方程式為

φ=λ-1(r+δtu-δts-I+T)+N+mφ+εφ.

(3)

其中，φ為載波相位差，λ為載波波長(zhǎng)，N為整周模糊度，mφ為多路徑效應(yīng)，εφ為載波相位測(cè)量噪聲量。

4)多路徑誤差。多路徑誤差主要指的是衛(wèi)星信號(hào)在傳播過(guò)程中，受到環(huán)境地物的反射，使得信號(hào)經(jīng)過(guò)多次反射才能到達(dá)接收機(jī)，因此產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度、延時(shí)或是相位狀態(tài)的變化而引起的接收機(jī)測(cè)量值誤差(Mρ和mφ)。多徑效應(yīng)會(huì)給偽距測(cè)量值和載波相位測(cè)量值同時(shí)引入不同程度的誤差，考慮到實(shí)際測(cè)量中，載波相位測(cè)量值中的多徑誤差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于偽距的多徑誤差。

5)周跳比。周跳是指載波相位測(cè)量中，由于衛(wèi)星信號(hào)的失鎖而導(dǎo)致的整周計(jì)數(shù)的跳變或中斷。這種現(xiàn)象可能是由天線的遮擋或是接收機(jī)質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的，通常采用理論上歷元數(shù)與周跳的比值來(lái)作為周跳的統(tǒng)計(jì)值。

o/slip=Obspossile/slip.

(4)

2 主要軟件介紹

本文采用TEQC軟件為主，結(jié)合GAMIT/GLOBK、RTKLAB來(lái)進(jìn)行質(zhì)量檢查。

TEQC(Translation、Editing、and Quality Checking)是功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用的GPS/GLONASS 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，最新的2016版本提供了BDS接收機(jī)數(shù)據(jù)接口。主要功能有格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核。質(zhì)量檢查可以用于檢查接收機(jī)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，反映出數(shù)據(jù)的可用性、電離層延遲、多路徑影響、接收機(jī)周跳、衛(wèi)星信號(hào)信噪比等信息，并實(shí)現(xiàn)了可視化。

GAMIT/GLOBK軟件最初是由美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)研制的，后又與斯克里普斯(SCRIPPS)海洋研究所(SIO)共同開(kāi)發(fā)改進(jìn)的一套基于UNIX/LINUX操作系統(tǒng)下的用于高精度GPS數(shù)據(jù)處理分析軟件。處理長(zhǎng)基線和連續(xù)時(shí)段靜態(tài)定位相對(duì)精度可達(dá)10e-8～10e-9數(shù)量級(jí)，處理短基線的精度可達(dá)1～3 mm。不僅精度高、功能強(qiáng)大，而且開(kāi)放源代碼，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行人工干預(yù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[14]。

RTKLAB是一個(gè)用于GNSS精確定位的開(kāi)源程序包，包含一個(gè)便攜式程序庫(kù)和多個(gè)應(yīng)用程序[15]，具有強(qiáng)大的圖形輸出功能，可以對(duì)接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行衛(wèi)星可見(jiàn)性、天空視圖和高度角等參數(shù)進(jìn)行可視化顯示。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量結(jié)果及相關(guān)問(wèn)題分析

首先選取北京市全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)石景山、牛口峪和平谷3個(gè)基準(zhǔn)站于2016-10-03—2016-10-09的觀測(cè)數(shù)據(jù)，每天觀測(cè)時(shí)間為24 h，采樣間隔為15 s。采用GPS/GLONASS雙模接收機(jī)和北斗三模接收機(jī)兩款接收機(jī)數(shù)據(jù)用作對(duì)比分析。本文為了保證對(duì)比結(jié)果的科學(xué)性，只采用北斗三模接收機(jī)中接收到的GPS和GLONASS星的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 數(shù)據(jù)各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)分析

1)數(shù)據(jù)利用率。從圖1中可以看出，兩款接收機(jī)反映出三個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)利用率高低情況是一致的：數(shù)據(jù)利用率從高到低分別為平谷、?？谟⑹埃吧秸緮?shù)據(jù)利用率平均在85%以下；對(duì)比兩款接收機(jī)，北斗接收機(jī)數(shù)據(jù)利用率要低于GPS/GLONASS接收機(jī)。

圖1 BDS、GPS/GLONASS接收機(jī)數(shù)據(jù)利用率對(duì)比圖

2)偽距測(cè)量噪聲誤差。采用GAMIT進(jìn)行解算時(shí)，偽距噪聲誤差結(jié)果會(huì)記錄在名為autcln.sum.post的文件中，如圖2所示。

由于現(xiàn)在GAMIT軟件還不能處理GLONASS雙頻數(shù)據(jù)，因此這里只采用兩款接收機(jī)的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行對(duì)比分析。處理一周數(shù)據(jù)得到的偽距噪聲誤差如圖3所示。

兩款接收機(jī)反映出三個(gè)基準(zhǔn)站偽距噪聲誤差情況是一致的，整體上看，北斗三模接收機(jī)數(shù)據(jù)的偽距噪聲誤差要大于GPS/GLONASS雙模接收機(jī)，石景山站的偽距噪聲誤差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩站。

圖3 BDS、GPS/GLONASS接收機(jī)偽距噪聲誤差對(duì)比圖

3)相位測(cè)量誤差。autcln.sum.post中同時(shí)給出了在不同高度角下載波相位測(cè)量值的噪聲誤差。結(jié)果如圖4所示。

圖4 BDS、GPS/GLONASS接收機(jī)相位噪聲誤差對(duì)比圖(左側(cè)為北斗接收機(jī)數(shù)據(jù))

圖5 BDS、GPS/GLONASS接收機(jī)數(shù)據(jù)mp1對(duì)比圖

從圖中可以看出，兩款接收機(jī)反映出的3個(gè)站的相位噪聲誤差情況也是基本相同的，數(shù)據(jù)相位噪聲誤差隨高度角變化的趨勢(shì)大致相同，除了石景山站在高度角為10°～30°時(shí)分布較為散亂以外，誤差大小及分布趨勢(shì)3個(gè)站大致相同。從給出的不同高度角上的誤差值對(duì)比可知，北斗三模接收機(jī)GPS數(shù)據(jù)的相位噪聲誤差要大于GPS/GLONASS雙模接收機(jī)。

4)多路徑誤差。TEQC和RTKLAB軟件都可以給出多路徑誤差結(jié)果，TEQC以數(shù)據(jù)文件格式給出，RTKLAB則直接給出可視化結(jié)果，為了便于數(shù)據(jù)對(duì)比分析，這里利用TEQC軟件來(lái)計(jì)算多路徑誤差。2015年6月發(fā)布的TEQC版本已經(jīng)可以處理北斗數(shù)據(jù)，因此這里采用兩類(lèi)接收機(jī)接收到的GPS和GLONASS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)國(guó)際公認(rèn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)規(guī)定的慣用參考指標(biāo)[16]，本文采用mp1<0.5 m,mp2<0.75 m作為標(biāo)準(zhǔn)參考值，mp值越大，多路徑效應(yīng)越嚴(yán)重。結(jié)合圖5、6中數(shù)據(jù)可以看出，石景山站mp1、mp2值89%以上天數(shù)均超標(biāo)，多路徑嚴(yán)重。?？谟旧媳倍方邮諜C(jī)接收到的數(shù)據(jù)顯示多路徑嚴(yán)重，而GPS/GLONASS雙模接收機(jī)數(shù)據(jù)正常。綜合三個(gè)站mp1、mp2的值來(lái)看，采用北斗接收機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算出的多路徑誤差數(shù)值相對(duì)來(lái)說(shuō)較大。

圖6 BDS、GPS/GLONASS接收機(jī)數(shù)據(jù)mp2對(duì)比圖

5)周跳比。采用的周跳比2 000，周跳比越小，表示周跳越嚴(yán)重。

由圖7可知，3個(gè)站上北斗接收機(jī)數(shù)據(jù)顯示的周跳比均在參考值之下，而平谷站GPS/GLONASS雙模接收機(jī)數(shù)據(jù)中周跳比均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常水平，而石景山和?？谟鴥蓚€(gè)站點(diǎn)的周跳比則低于參考值。對(duì)比兩類(lèi)接收機(jī)結(jié)果，石景山、?？谟鴥蓚€(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)周跳較為嚴(yán)重，而平谷站結(jié)果較差可能同北斗接收機(jī)自身硬件有關(guān)。

圖7 BDS、GPS/GLONASS接收機(jī)數(shù)據(jù)周跳比對(duì)比圖

3.2 質(zhì)量結(jié)果分析

綜合五項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果，分析得出以下結(jié)論：

1)石景山站兩款接收機(jī)數(shù)據(jù)顯示各項(xiàng)指標(biāo)均較差，各類(lèi)誤差均較大，多路徑和周跳現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。綜合各項(xiàng)指標(biāo)，初步分析該站天線附近存在遮擋，且周?chē)h(huán)境條件較差，同時(shí)可能存在電磁干擾等因素。

2)?？谟径嗦窂胶椭芴F(xiàn)象較為嚴(yán)重，初步分析該站天線附近存在遮擋。

3)平谷站各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，運(yùn)行情況良好。

4)對(duì)比兩款接收機(jī)結(jié)果可以看出，兩款接收機(jī)反映出的數(shù)據(jù)問(wèn)題情況基本一致，雖然在同一站點(diǎn)上北斗接收機(jī)接收到數(shù)據(jù)的各項(xiàng)指標(biāo)都略差于GPS/GLONASS雙模接收機(jī)，但這是接收機(jī)自身性能造成的，并不是該站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

為進(jìn)一步確認(rèn)石景山和?？谟咎炀€附近是否存在遮擋，利用RTKLIB軟件對(duì)兩個(gè)基準(zhǔn)站進(jìn)行可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)進(jìn)行觀測(cè)。圖8為10月9日兩個(gè)站點(diǎn)上空衛(wèi)星分布圖。

從圖中可以直觀看出，兩個(gè)站點(diǎn)在東西方向都有部分區(qū)域接收衛(wèi)星質(zhì)量較差，出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象或中斷，可以初步確定為天線存在遮擋。

4 實(shí)地勘測(cè)結(jié)果分析

對(duì)石景山和?？谟鴥蓚€(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)地考察，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況如圖9所示。

石景山站西側(cè)有高層建筑正在施工，西、北兩側(cè)均有較高樹(shù)木，?？谟局?chē)餐瑯哟嬖跇?shù)木，因此對(duì)天線造成了干擾和遮擋，導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。對(duì)牛口峪站天線附近樹(shù)木進(jìn)行了砍伐，由于石景山站遮擋物無(wú)法進(jìn)行移除，正在考慮更換站址。

為了驗(yàn)證?？谟居^測(cè)數(shù)據(jù)是否恢復(fù)正常，下面給出砍伐樹(shù)木后11月20日～11月26日一周數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析，前面的分析中已經(jīng)排除了接收機(jī)硬件問(wèn)題，僅分析GPS/GLONASS雙模接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量，質(zhì)量分析結(jié)果如表1所示。

圖8 石景山、?？谟拘l(wèi)星分布圖

圖9 石景山、牛口峪站實(shí)地勘測(cè)圖

質(zhì)量分析指標(biāo)數(shù)據(jù)利用率/%偽距噪聲殘差/mm相位測(cè)量誤差/mm多路徑mp1/m多路徑mp2/m周跳比11.2096858.5110.420.61206811.2198855.211.40.380.491206511.2298842.410.40.360.51207211.2396840.410.30.450.571205811.2498842.78.60.430.52965111.2599844.4100.390.514823211.2699837.78.50.340.4312059平均值97.7845.910.030.390.529238

將表中各項(xiàng)指標(biāo)同前期平谷站(運(yùn)行良好)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)值以及規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比可以看出，牛口峪站觀測(cè)數(shù)據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，該站運(yùn)行恢復(fù)正常。

5 結(jié) 論

本文首先利用TEQC、GAMIT計(jì)算給出的五項(xiàng)質(zhì)量分析指標(biāo)，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析，并分析超出正常范圍的指標(biāo)原因，同時(shí)結(jié)合RTKLIB給出的可視化結(jié)果對(duì)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素進(jìn)一步確認(rèn)，通過(guò)實(shí)地勘測(cè)驗(yàn)證了分析結(jié)果及原因判斷的準(zhǔn)確性，進(jìn)而驗(yàn)證了方法的實(shí)用性。

軟件分析可以通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析來(lái)進(jìn)行基準(zhǔn)站常見(jiàn)問(wèn)題的及時(shí)確認(rèn)和排查，成本低、效率高，避免了不必要的人力物力浪費(fèi)。此外本文給出的方法同時(shí)也可以用于GPS、GLONASS、BDS等單一衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，實(shí)用性較強(qiáng)，對(duì)工程建設(shè)和實(shí)際操作應(yīng)用都有一定的借鑒意義。

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