GPS/GLONASS/BDS/Galileo數(shù)據(jù)質(zhì)量的對比分析

高永剛， 吳觀燁， 郭金運(yùn)， 馮曉敏

(1． 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350108； 2． 數(shù)字中國研究院(福建)， 福建 福州 350108； 3． 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

0 引言

隨著美國GPS(global positioning system) 系統(tǒng)的不斷現(xiàn)代化、 俄羅斯GLONASS(global navigation satellite system)系統(tǒng)的逐步恢復(fù)以及歐盟的Galileo(Galileo positioning system) 和中國BDS(Beidou navigation satellite system)系統(tǒng)的快速建設(shè)與發(fā)展， 多GNSS (global navigation satellite system)星座并存與發(fā)展的局面已然形成[1-2]. 多GNSS星座的出現(xiàn)為用戶提供更多的可視衛(wèi)星與可用頻率， 多頻多系統(tǒng)組合定位已經(jīng)成為GNSS精密定位的發(fā)展趨勢[3]. 由于GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響著定位精度與可靠性， 因此對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的質(zhì)量評測， 剔除質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)是獲取高精度定位結(jié)果的重要前提[4-5].

目前， 國際上常用的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件為TEQC[6-7](translates， editing， and quality client)， 已被廣泛用于區(qū)域連續(xù)參考系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評測[8-11]. 然而， 由于TEQC軟件僅能對RINEX2版本下的GPS和GLONASS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析， 難以滿足用戶在多GNSS時代背景下對于多頻多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析需求. gfzrnx軟件雖能處理RINEX3版本的觀測數(shù)據(jù)， 但該軟件無法對多路徑效應(yīng)進(jìn)行探測[12]. BNC軟件雖能處理RINEX3版本GPS、 GLONASS和Galileo雙頻觀測數(shù)據(jù)， 其缺陷是不能對BDS系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測并且不能處理多頻觀測數(shù)據(jù)[13]. HGQC1.0雖然功能強(qiáng)大但也僅能對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測[14]. G-QC軟件能夠?qū)PS、 BDS雙頻RINEX3版本數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評測， 但無法對多頻多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評測[15]. QC軟件雖能處理GPS、 GLONASS、 Galileo和BDS四系統(tǒng)RINEX3版本數(shù)據(jù)， 同樣不能對多頻數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析[16]. 捷克國家大地測量、 地形與地圖制圖研究所研發(fā)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件Anubis可以較好地解決當(dāng)前GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件存在的缺陷[17]， 也可以對多頻多系統(tǒng)RINEX3版本觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測， 并且質(zhì)量檢測的結(jié)果與TEQC軟件分析結(jié)論較為吻合[18].

本研究以全球范圍內(nèi)的80個MGEX觀測站2019年DOY006～012連續(xù)7 d的觀測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源， 選取多路徑效應(yīng)、 數(shù)據(jù)利用率和周跳比作為定量評價指標(biāo)， 利用Anubis軟件對GPS、 GLONASS、 BDS和Galileo系統(tǒng)的質(zhì)量檢測結(jié)果進(jìn)行評價分析. 然后， 選取數(shù)據(jù)質(zhì)量較好和數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的觀測站進(jìn)行GPS、 GLONASS、 BDS和Galileo單系統(tǒng)靜態(tài)模擬動態(tài)精密單點(diǎn)定位(precise point positioning， PPP)解算實驗， 選用定位精度和收斂時長作為定量評價指標(biāo)對解算結(jié)果進(jìn)行定量評價， 探討數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣對PPP定位性能的影響. 最后， 以數(shù)據(jù)利用率、 周跳比和多路徑效應(yīng)為主導(dǎo)因素對定位性能的影響程度進(jìn)行探討.

1 評價方法與指標(biāo)

1.1 多路徑效應(yīng)

多路徑(multipath， MP)效應(yīng)表征反射物的反射信號對GNSS觀測信號的影響程度. 文中將MP1的閾值設(shè)置為50 cm， MP2的閾值設(shè)置為75 cm， 并參照MP1的限差值將其余頻段的多路徑效應(yīng)誤差的閾值設(shè)置為50 cm， 其計算公式[17]為：

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLj

(1)

其中

(2)

式中: MP為多路徑效應(yīng)值(cm)； 下標(biāo)i、j、k分別對應(yīng)不同頻率索引；P和L分別表示偽距和相位觀測值；fi、fj和fk分別表示載波相位觀測值的頻率.

1.2 數(shù)據(jù)利用率

數(shù)據(jù)利用率表征數(shù)據(jù)的可用率和完整性， 將數(shù)據(jù)利用率的閾值設(shè)置為80%[19]， 其計算公式為：

(3)

式中：R為數(shù)據(jù)利用率(%)；H為實際觀測數(shù)據(jù)量；E為理論觀測數(shù)據(jù)量.

1.3 周跳比

周跳為實際觀測數(shù)據(jù)中周跳歷元數(shù)與理論觀測歷元數(shù)的比值， 其閾值設(shè)置為200[5]. 其計算公式為：

(4)

式中：S為周跳比；E為理論觀測數(shù)據(jù)量；C為周跳數(shù).

1.4 收斂時長

收斂時長(convergence time ， CT)[20]是指從第一個歷元開始至解算精度滿足限差要求所需的歷元數(shù)， 其中限差包括點(diǎn)位精度閾值和連續(xù)歷元數(shù). 如果某一歷元的一維(北(N)、 東(E)、 高程(U))、 二維(2D)或三維(3D)的偏差介于設(shè)定點(diǎn)位精度閾值范圍內(nèi)， 并且從這一歷元開始往后的連續(xù)w個歷元偏差都滿足此條件， 則將該歷元確定為該維度下收斂的初始?xì)v元， 第一個歷元至該歷元所需的觀測時間即為收斂時長. 采用的點(diǎn)位精度閾值為[-0.1 m， +0.1 m]， 靜態(tài)模擬動態(tài)實驗時， 連續(xù)歷元數(shù)w設(shè)為20個. 收斂時長的計算公式為：

CT=SI×L

(5)

式中： CT為收斂時長(min)； SI為采樣間隔；L為第一個歷元開始至解算精度滿足限差要求所需歷元數(shù).

1.5 均方根誤差

均方根誤差(root mean square error， RMSE)反應(yīng)估計值與參考值的差異程度.

(6)

2 實驗分析

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

以全球范圍內(nèi)MGEX觀測網(wǎng)提供的80個觀測站(2019年DOY006～DOY012共7 d)多頻多系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源, 利用Anubis軟件分別對GPS、 GLONASS、 BDS和Galileo系統(tǒng)的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(圖1)， 采用多路徑效應(yīng)、 數(shù)據(jù)利用率和周跳比作為定量評價指標(biāo)， 根據(jù)IGS提供周解文件中的觀測站坐標(biāo)作為參考坐標(biāo)探討MGEX觀測網(wǎng)的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量對于PPP解算結(jié)果定位性能的影響. 限于篇幅， 論文在對MGEX 80個觀測站質(zhì)量檢測結(jié)果分析的基礎(chǔ)上， 僅給出5個具有代表性觀測站的GPS、 GLONASS、 BDS、 Galileo統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表1～表4)和80個觀測站質(zhì)量檢測結(jié)果的平均值(表5).

圖1 MGEX觀測站分布圖Fig.1 Distribution of MGEX stations

表1 GPS系統(tǒng)部分觀測站質(zhì)量檢測均值

表2 GLONASS系統(tǒng)部分觀測站質(zhì)量檢測均值

表3 BDS系統(tǒng)部分觀測站質(zhì)量檢測均值

表4 Galileo系統(tǒng)部分觀測站質(zhì)量檢測均值

通過對表1～4分析可知， GPS、 GLONASS、 BDS和Galileo系統(tǒng)所對應(yīng)不同觀測站數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測結(jié)果具有顯著差異. GPS、 GLONASS和Galileo(SGOC觀測站除外)的R值均大于限差值(80%)， 而BDS的R值均小于設(shè)定的限差值(80%)， 可能是由于Anubis對BDS系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量檢測時， 其理論觀測量統(tǒng)計的是BDS2和BDS3的觀測數(shù)據(jù)， 而實際觀測量中僅有BDS2的觀測數(shù)據(jù). 同時， 四大系統(tǒng)的不同測站對應(yīng)不同S和MP值， 結(jié)合R值， 可以反應(yīng)觀測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量. 以GPS系統(tǒng)為例， AREG觀測站的S值為UCAL觀測站的60.43倍， 而UCAL觀測站MP1、 MP2和MP5值分別約為AREG觀測站的4.49倍、 3.15倍和4.77倍. 研究表明， AREG觀測站GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯優(yōu)于UCAL觀測站. 同理可知: WTZR觀測站GLONASS數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯優(yōu)于POHN觀測站； HKWS觀測站BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯優(yōu)于WARK觀測站； DARW觀測站Galileo數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯優(yōu)于SGOC觀測站.

表5中給出了2019年DOY006～DOY012連續(xù)7 d共80個MGEX觀測站的質(zhì)量檢測結(jié)果的平均值. 通過對表5分析可知， GPS、 GLONASS和Galileo系統(tǒng)的R平均值均大于設(shè)定的閾值， 而BDS系統(tǒng)的R平均值較小. 對比不同系統(tǒng)的S值發(fā)現(xiàn)差異較大， 從大到小的順序依次為Galileo、 BDS、 GPS、 GLONASS， 可知Galileo系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的周跳個數(shù)相對其余系統(tǒng)最少， GLONASS系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的周跳個數(shù)相對其余系統(tǒng)最多. 由相同系統(tǒng)下不同頻率MP值的比較分析可知： GPS、 GLONASS、 BDS和Galileo系統(tǒng)的MP值從大到小的順序分別依次是L1、 L2、 L5； G1、 G2； B1、 B3、 B2； E6、 E1、 E5a、 E5b、 E5， 不同系統(tǒng)不同頻段的MP值差異較大. 在所有系統(tǒng)的全部頻段中GLONASS系統(tǒng)G1頻段MP的平均值最大， 為42.18 cm， Galileo系統(tǒng)E5頻段的平均值最小， 為10.36 cm.

表5 MGEX觀測站質(zhì)量檢測的平均值

精密單點(diǎn)定位解算實驗采用雙頻無電離層模型削弱電離層誤差的影響， 由于IGS提供的觀測數(shù)據(jù)中， 部分觀測站無BDS的B3、 Galileo的E6頻點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)， 以2019年DOY006這天的觀測數(shù)據(jù)為例， 選擇所有觀測站均能接收的頻率進(jìn)行無電離層模型組合， 即GPS: L1/L2、 GLONASS:G1/G2、 BDS:B1/B2、 Galileo:E1/E5a雙頻數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)處理策略詳見表6. 分別選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量較好和數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的觀測站對GPS、 GLONASS、 BDS和Galileo進(jìn)行靜態(tài)模擬動態(tài)單系統(tǒng)解算實驗(圖2～5)， 并以IGS周解文件提供的觀測站坐標(biāo)作為參考， 采用收斂時長和定位精度作為定量評價指標(biāo)(表7)， 探討觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量對定位性能的影響.

通過對圖2～5和表7進(jìn)行分析可知， 數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣對定位精度和收斂時長具有顯著影響， 各定位系統(tǒng)對數(shù)據(jù)質(zhì)量的敏感程度不同. 在GPS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的AREG觀測站的定位性能明顯優(yōu)于UCAL觀測站， 觀測站的北(N)東(E)高程(U)及平面(2D)和三維(3D)方向的RMSE差值分別為-0.69、 -0.62、 -0.89、 -0.90、 -1.25 cm， 收斂時長差值分別為-6.5、 -14.5、 -3.0、 -33.5、 -21.5 min. 在GLONASS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的WTZR觀測站的定位性能明顯優(yōu)于POHN觀測站， 觀測站的北(N)東(E)高程(U)及平面(2D)和三維(3D)方向的RMSE差值分別為-5.78、 -8.32、 -19.42、 -10.12、 -21.82 cm， 收斂時長差值分別為-51、 -38、 -32、 -50.5、 -81 min. 在BDS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的HKWS觀測站的定位性能明顯優(yōu)于WARK觀測站， 觀測站的NEU三方向及平面(2D)和三維(3D)方向的RMSE差值分別為-1.22、 -3.46、 -5.35、 -3.48、 -6.37 cm， 收斂時長差值分別為-26、 -33.5、 -104.5、 -148.5、 -604.5 min. 在Galileo系統(tǒng)中數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的DARW觀測站的定位性能明顯優(yōu)于SGOC觀測站， 觀測站的NEU三方向及平面(2D)和三維(3D)方向的RMSE差值分別為-12.92、 -9.27、 -174.11、 -15.12、 -174.3 cm， 收斂時長差值分別為15.5、 -5、 -8、 -34.5、 -308 min.

表6 數(shù)據(jù)處理策略

(a) AREG測站

(b) UCAL測站

(a) WTZR測站

(b) POHN測站

(a) HKWS測站

(b) WARK測站

(a) DARW測站

表7 數(shù)據(jù)質(zhì)量對定位性能的影響

2.2 主導(dǎo)性評價

為了進(jìn)一步探討多路徑效應(yīng)、 數(shù)據(jù)利用率和周跳比對定位精度和收斂時長的影響， 通過對MGEX 80個觀測站的GPS、 GLONASS、 BDS和Galileo的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測進(jìn)行分析. 即選取多路徑效應(yīng)、 數(shù)據(jù)利用率和周跳比對比度明顯的觀測站， 以控制單一變量為原則分別對上述三個質(zhì)量評價指標(biāo)進(jìn)行對比實驗. 主導(dǎo)性評價時， 觀測站的選擇原則為： 當(dāng)以多路徑效應(yīng)為主導(dǎo)時， 數(shù)據(jù)利用率和周跳比均應(yīng)近似相等； 當(dāng)以數(shù)據(jù)利用率為主導(dǎo)時， 多路徑效應(yīng)和周跳比均應(yīng)近似相等； 當(dāng)以周跳比為主導(dǎo)時， 數(shù)據(jù)利用率和多路徑效應(yīng)均應(yīng)近似相等. 同時， 還應(yīng)顧忌觀測時段內(nèi)所選觀測站的平均衛(wèi)星個數(shù)和平均PDOP值對定位性能的影響， 以保證僅有一個質(zhì)量指標(biāo)對定位性能起主導(dǎo)作用. 表8和表9為以多路徑效應(yīng)為主導(dǎo)時的質(zhì)量檢測結(jié)果及其定位性能； 表10和表11為以數(shù)據(jù)利用率為主導(dǎo)時質(zhì)量檢測結(jié)果及其定位性能； 表12和表13為以周跳比為主導(dǎo)時質(zhì)量檢測結(jié)果及其定位性能.

表8 多路徑效應(yīng)為主導(dǎo)時的質(zhì)量檢測結(jié)果

表9 多路徑效應(yīng)為主導(dǎo)時對定位性能影響

表11 數(shù)據(jù)利用率為主導(dǎo)對定位性能影響

表12 周跳比為主導(dǎo)時的質(zhì)量檢測結(jié)果

表13 周跳比為主導(dǎo)對定位性能影響

分析表8～13可知， 分別以多路徑效應(yīng)、 數(shù)據(jù)利用率和周跳比為主導(dǎo)時對定位精度和收斂時長的影響具有明顯差異. 當(dāng)以多路徑效應(yīng)為主導(dǎo)因數(shù)時， LMMF觀測站的MP1和MP2值分別為WROC觀測站的7.45倍和8.49倍， 數(shù)據(jù)利用率、 周跳比、 平均可見衛(wèi)星數(shù)和平均PDOP值均近似相等. 當(dāng)以數(shù)據(jù)利用率為主導(dǎo)因數(shù)時， FFMJ觀測站的數(shù)據(jù)利用率相比WTZZ觀測站高了34.55%， 多路徑效應(yīng)、 周跳比、 平均可見衛(wèi)星數(shù)和平均PDOP值均近似相等. 當(dāng)以周跳比為主導(dǎo)因數(shù)時， AREG觀測站的周跳比是MARS觀測站14.49倍， 多路徑效應(yīng)、 數(shù)據(jù)利用率、 平均可見衛(wèi)星數(shù)和平均PDOP值均近似相等. 綜上， 對定位精度的影響最為顯著的因素為周跳比， 其次為多路徑效應(yīng)， 數(shù)據(jù)利用率對定位精度影響不明顯； 收斂時長與多路徑效應(yīng)和數(shù)據(jù)利用率的大小無明顯相關(guān)性， 周跳比越大收斂速度越快.

3 結(jié)語

1) 研究表明Galileo、 BDS、 GPS和GLONASS系統(tǒng)周跳比的平均值分別為3 491.46， 2 301.34， 609.16， 99.73； 在GPS、 GLONASS、 BDS和Galileo系統(tǒng)所有頻點(diǎn)的平均值中， Galileo系統(tǒng)E5頻段的平均值相對最小(10.36 cm)， GLONASS系統(tǒng)G1頻段的多路徑效應(yīng)最大(42.18 cm).

2) 單系統(tǒng)靜態(tài)模擬動態(tài)精密單點(diǎn)定位解算實驗表明數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣對精密單點(diǎn)定位的定位精度和收斂時長具有顯著的影響. 數(shù)據(jù)質(zhì)量較好觀測站的定位精度和收斂時長明顯優(yōu)于數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的觀測站. 以控制單一變量為原則， 對比分析了多路徑效應(yīng)、 數(shù)據(jù)利用率和周跳比對定位性能的影響程度. 研究表明: 周跳比較多路徑效應(yīng)和數(shù)據(jù)利用率對定位精度的影響更顯著； 收斂時長與多路徑效應(yīng)和數(shù)據(jù)利用率的大小無明顯相關(guān)性， 周跳比越大收斂速度越快.