復(fù)雜橋梁環(huán)境下的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測與分析

田江博

(中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 71000)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是根據(jù)我國發(fā)展以及安全需要自主設(shè)計研發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)，是可以向全球提供高精度、全天時、全天候的導(dǎo)航與定位服務(wù)[1-2]。北斗系統(tǒng)根據(jù)我國基本國情分為三步走戰(zhàn)略，第一步在2000年完成雙星系統(tǒng)的建設(shè)、第二步在2012年底完成區(qū)域系統(tǒng)的建設(shè)，第三步在2020年完成全球系統(tǒng)的建設(shè)[3-4]。北斗系統(tǒng)的星座是混合星座，有GEO、MEO和IGSO三種軌道衛(wèi)星[5]。北斗數(shù)據(jù)所受到的各種誤差影響與GPS相類似，主要有衛(wèi)星端、傳播路徑以及接收機(jī)端所產(chǎn)生的誤差，其中大部分誤差都可以通過模型或者差分技術(shù)進(jìn)行消除，而受周圍環(huán)境以及傳播路徑上誤差的影響很難被消除，特別是復(fù)雜環(huán)境下的北斗數(shù)據(jù)更容易受到誤差的影響，從而影響北斗的數(shù)據(jù)質(zhì)量。若傳播路徑上噪聲以及周圍環(huán)境影響較大，則會導(dǎo)致信號強(qiáng)度變?nèi)?、?shù)據(jù)完整率變低以及多路徑效應(yīng)變大，那么采集到的北斗變形監(jiān)測數(shù)據(jù)定位精度降低，達(dá)不到橋梁變形監(jiān)測精度的要求。而對于北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測問題，國內(nèi)部分學(xué)者對其進(jìn)行了研究，劉青鋒等[6]對北斗雙頻數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析發(fā)現(xiàn)，北斗GEO、IGSO和MEO的多路徑誤差逐漸增大，GPS與北斗MEO衛(wèi)星的偽距多路徑誤差相差不大；陳明等[7]基于國家基準(zhǔn)網(wǎng)對北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量與高度角和信號頻率有關(guān)，相同環(huán)境下北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量在多路徑誤差方面優(yōu)于GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量；潘林等[8]對比分析了北斗與GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)在樹林中采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于空曠地區(qū)的，且北斗優(yōu)于GPS。目前北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析都是常規(guī)環(huán)境下進(jìn)行的，沒有對工程實(shí)例復(fù)雜環(huán)境下的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析。

本文則針對橋梁變形監(jiān)測實(shí)例復(fù)雜環(huán)境下的北斗數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)完整率、信噪比以及多路徑等方面評估了北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量，并且詳細(xì)分析了周圍復(fù)雜環(huán)境對北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)

評估北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量的常規(guī)指標(biāo)主要有數(shù)據(jù)完整率、信噪比以及多路徑等，接下來對這三個常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率是表示北斗數(shù)據(jù)完整情況的重要指標(biāo)，是評估北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。是北斗實(shí)際觀測值個數(shù)與理論觀測值個數(shù)的比值，關(guān)系表達(dá)式如下[9]：

(1)

式中，DIS表示北斗的數(shù)據(jù)完整率指標(biāo)；Ai表示第i顆衛(wèi)星在高度角10°以上連續(xù)弧段理論觀測歷元數(shù)；(Bmin)i表示第i顆衛(wèi)星在高度角10°以上連續(xù)弧段實(shí)際觀測歷元數(shù)最小值。

1.2 信噪比

信噪比是信號強(qiáng)度與噪聲的比值，信噪比越強(qiáng)表明信號強(qiáng)度越高，質(zhì)量越好，是北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量評估的重要指標(biāo)。每顆衛(wèi)星的信噪比可以直接從觀測文件中獲取，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號強(qiáng)度表示如下：

sn_rnx=MIN(MAX(INT(sn_raw),1),9)

(2)

式中，sn_raw表示原始信號強(qiáng)度；sn_rnx表示標(biāo)準(zhǔn)化信號強(qiáng)度；INT表示取整。

1.3 多路徑

多路徑效應(yīng)是接收機(jī)接收到的信號是多種折射信號的疊加，從而導(dǎo)致的延遲效應(yīng)，也是評估北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。多路徑一般與高度角有關(guān)，表達(dá)式如下(Estey和Meertens 1999)[10]：

(3)

式中,i和j表示載波相位頻率；MPj表示偽距多路徑組合；λi和λj表示波長；fi和fj表示頻率；φi和φj表示載波相位觀測值；Pj表示偽距觀測值；MPj中包含整周模糊度，整周模糊度中吸收了硬件延遲等誤差，統(tǒng)一由Bij表示。

2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

本文采用的分析數(shù)據(jù)為國內(nèi)某大型現(xiàn)役橋梁變形監(jiān)測實(shí)測數(shù)據(jù)，此橋梁設(shè)有人行通道，為了保證接收機(jī)的穩(wěn)定性，將接收機(jī)固定在橋梁的圍欄上，接收機(jī)采用的是華測多模雙頻GNSS接收機(jī)，可以接收到包含北斗在內(nèi)的多個系統(tǒng)數(shù)據(jù)，采用間隔為1 s，衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°，監(jiān)測時長為24 h。限于篇幅原因，本文只選取了位于跨中監(jiān)測點(diǎn)的部分北斗衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 選取人流量以及車流量較大的12 h(早7：00-晚7：00)進(jìn)行分析，為了體現(xiàn)不同星座復(fù)雜橋梁環(huán)境下的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量，選取GEO星座下的C04，IGSO星座下的C07，MEO星座下的C12。

2.1 數(shù)據(jù)完整率

如圖1所示，北斗2個頻率的不同星座衛(wèi)星的數(shù)據(jù)完整率都在91%左右, 相比于正常情況下的數(shù)據(jù)完整率是較低的，這是因?yàn)樵跁r間段內(nèi)，周圍車流量以及人流量較多，對衛(wèi)星信號的接收產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整率較低。

圖1 數(shù)據(jù)完整率

2.2 信噪比

如圖2～圖4所示，北斗衛(wèi)星的信噪比受周圍環(huán)境的影響較大，B2頻率的信噪比受到噪聲的影響大于B1頻率的信噪比。結(jié)合信噪比分析圖和實(shí)地記錄信息情況可以發(fā)現(xiàn)，C04衛(wèi)星的B1的頻率的信噪比受影響最大為9 dB-Hz， B2的頻率的信噪比受影響最大為5 dB-Hz。C07衛(wèi)星的B1的頻率的信噪比受影響最大為8 dB-Hz， B2的頻率的信噪比受影響最大為7 dB-Hz。C12衛(wèi)星的B1的頻率的信噪比受影響最大為10 dB-Hz， B2的頻率的信噪比受影響最大為5 dB-Hz。

圖2 C04信噪比

圖3 C07信噪比

圖4 C12信噪比

2.3 多路徑

如圖5～圖7所示，北斗衛(wèi)星的多路徑都在2 m以內(nèi)，隨著時間的增加多路徑逐漸減小，但是部分衛(wèi)星頻率多路徑存在系統(tǒng)偏差。結(jié)合多路徑分析圖以及實(shí)地記錄信息可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接收機(jī)周圍人流量或者車流量增加時，北斗衛(wèi)星的多路徑就會發(fā)生跳變，C04衛(wèi)星B1的頻率的多路徑受影響最大為0.8 m， B2頻率的信噪比受影響最大為06 m。C07衛(wèi)星B1頻率的信噪比受影響最大為0.4 m， B2頻率的信噪比受影響最大為0.2 m。C12衛(wèi)星B1頻率的信噪比受影響最大為0.2 m， B2頻率的信噪比受影響最大為0.2 m。

圖5 C04多路徑

圖6 C07多路徑

圖7 C12多路徑

3 結(jié) 論

通過對復(fù)雜橋梁環(huán)境下的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析發(fā)現(xiàn)，北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量受周圍環(huán)境影響較大，特別是在車流量和人流量增加的情況下，具體結(jié)論如下：

(1)在車流量和人流量較大時，北斗數(shù)據(jù)完整率較低，但是滿足數(shù)據(jù)處理的最低要求。

(2)北斗衛(wèi)星信噪比受周圍環(huán)境影響最大為9 dB-Hz，B2頻率受到的影響小于B1頻率，MEO衛(wèi)星受到的影響最小。

(3)北斗衛(wèi)星多路徑受周圍環(huán)境影響最大為0.8 m，B2頻率受到的影響小于B1頻率，MEO衛(wèi)星受到的影響最小。