金　蕾　吉淵明　唐衛(wèi)明　張永峰

1　浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院，杭州市保俶北路83號(hào)，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(hào)， 410079 3　武漢攀達(dá)時(shí)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(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院，杭州市保俶北路83號(hào)，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(hào)， 410079 3武漢攀達(dá)時(shí)空科技有限公司，武漢市大學(xué)園路，430040

通過(guò)對(duì)TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量模塊相關(guān)算法進(jìn)行分析，實(shí)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(jī)硬件延遲偏差估計(jì)功能。通過(guò)多組數(shù)據(jù)驗(yàn)證，軟件計(jì)算指標(biāo)與TEQC結(jié)果具有較高的一致性；在電離層估計(jì)方面，與全球電離層格網(wǎng)(global ionosphere maps, GIM)插值計(jì)算結(jié)果的RMS在3 TECu之內(nèi)，并可用于接收機(jī)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(jī)硬件延遲

TEQC軟件雖提供對(duì)北斗數(shù)據(jù)的分析支持，但無(wú)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(guò)對(duì)相關(guān)算法的研究分析，本文實(shí)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(jī)硬件延遲偏差估計(jì)、衛(wèi)星分布情況等功能。

1　參數(shù)計(jì)算

由于TEQC軟件非開源，本文對(duì)其相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算進(jìn)行說(shuō)明。在電離層估計(jì)方面，采用多項(xiàng)式模型并進(jìn)行分時(shí)段建模，通過(guò)導(dǎo)航電文進(jìn)行衛(wèi)星與接收機(jī)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(cè)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(cè)值總數(shù)與預(yù)計(jì)的觀測(cè)值總數(shù)之比(高度角>10°)。預(yù)計(jì)觀測(cè)值總數(shù)的計(jì)算方法為：根據(jù)觀測(cè)文件的起止時(shí)間和采樣間隔，利用導(dǎo)航文件計(jì)算相應(yīng)時(shí)刻測(cè)站至所有衛(wèi)星的高度角，若計(jì)算高度角大于10°，則增加預(yù)計(jì)觀測(cè)值總數(shù)值。接收到的偽距/相位觀測(cè)值總數(shù)通過(guò)對(duì)觀測(cè)文件的遍歷來(lái)統(tǒng)計(jì)。

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(duì)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(jì)算公式為：

(1)

對(duì)于三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，有：

(2)

3)o/slips。該值為完整觀測(cè)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(cè)。

(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(shí)空變化特性在一般情況下是緩慢的，故由該組合得到的時(shí)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(shí)使用。完整觀測(cè)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(cè)環(huán)境有關(guān)。TEQC通過(guò)對(duì)觀測(cè)文件中s1、s2值(接收機(jī)所給出的L1、L2相位觀測(cè)值的原始信號(hào)強(qiáng)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(jì)。本文采用多項(xiàng)式模型并顧及硬件延遲偏差，對(duì)單站電離層TEC(total electron content)值進(jìn)行估計(jì)?？紤]到不同頻率的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生碼間差分偏差，忽略測(cè)量噪聲，將GNSS雙頻偽距觀測(cè)方程相減后得：

c·DCBR+c·DCBS

(5)

式中，P1、P2為偽距觀測(cè)值，δts、δtr為P1、P2碼信號(hào)在L1、L2發(fā)射鏈路、接收機(jī)端的時(shí)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(jī)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(duì)部分接收機(jī)，忽略該值可引起16 TECu的誤差[3]。將式(5)移項(xiàng)、化簡(jiǎn)并代入投影函數(shù)MF后，可得如下觀測(cè)方程：

(6)

對(duì)于單站數(shù)據(jù)，接收機(jī)與衛(wèi)星DCB值可不分離，但考慮到擴(kuò)展性(即區(qū)域電離層模型建立)，將測(cè)站與接收機(jī)DCB分離可顯著減少待估計(jì)參數(shù)的個(gè)數(shù)，有利于提高計(jì)算效率。常用的分離接收機(jī)和衛(wèi)星硬件延遲的方法為零均值約束，即通過(guò)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(huì)導(dǎo)致可靠性下降[5]。本文通過(guò)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(shí)延所給出方式的差異[2,6]。采用多項(xiàng)式模型對(duì)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(xiàng)式模型具有隱含假設(shè)：VTEC隨時(shí)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(shí)段長(zhǎng)度，采用分段線性擬合，在全天觀測(cè)值組成的法方程中加入時(shí)域連續(xù)性、空域連續(xù)性和平滑的約束，并考慮到接收機(jī)DCB的穩(wěn)定性，每個(gè)測(cè)站在全天觀測(cè)時(shí)段中僅引入一個(gè)待求解的測(cè)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(guò)C++語(yǔ)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(guò)程序界面，選擇待分析數(shù)據(jù)的導(dǎo)航文件和觀測(cè)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?qǐng)D，相應(yīng)的單站VTEC結(jié)果以及測(cè)站接收機(jī)DCB保存于程序路徑下。

為驗(yàn)證軟件中給出參數(shù)的正確性，進(jìn)行多測(cè)站數(shù)據(jù)分析，包括浙江CORS站網(wǎng)數(shù)據(jù)、中山測(cè)站數(shù)據(jù)、?？跍y(cè)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(jì)算結(jié)果與TEQC進(jìn)行對(duì)比。表1為海口測(cè)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(yàn)證DataQC電離層估計(jì)模塊的有效性，將計(jì)算得到的測(cè)站VTEC值與IGS通過(guò)全球約200個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)得到的GIM插值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。多測(cè)站數(shù)據(jù)表明，估計(jì)結(jié)果的量值及變化趨勢(shì)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(cè)站2015-08-23數(shù)據(jù)結(jié)果，上圖為由GPS、BDS和GIM分別計(jì)算得到的TEC值圖，下圖為GPS和BDS計(jì)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(cè)站電離層穿刺點(diǎn)分布不均，使得電離層VTEC估計(jì)精度不及GPS。

表1　?？跍y(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)對(duì)比

圖1　中山測(cè)站GPS/BDS/GIM電離層TEC估計(jì)、對(duì)比結(jié)果時(shí)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?qǐng)DFig.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(yùn)行參考站網(wǎng)(Zhejiang continuously operating reference stations, ZJCORS)目前正在進(jìn)行北斗升級(jí)工作，已順利建成浙江省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)杭嘉湖試驗(yàn)網(wǎng)。本文通過(guò)DataQC軟件對(duì)其8個(gè)測(cè)站連續(xù)15 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出8個(gè)測(cè)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(cè)站分布情況。

數(shù)據(jù)采集時(shí)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(gè)測(cè)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(cè)環(huán)境，GPS和BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量符合要求。

圖3　測(cè)站分布圖Fig.3　Distribution of stations

測(cè)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(cè)站接收機(jī)硬件延遲穩(wěn)定性，采用本文所述的區(qū)域電離層模型，對(duì)8個(gè)測(cè)站進(jìn)行電離層建模并計(jì)算接收機(jī)每日的DCB值。圖4給出了各測(cè)站GPS和BDS數(shù)據(jù)的接收機(jī)DCB標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯?，各測(cè)站接收機(jī)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(cè)站接收機(jī)DCB標(biāo)準(zhǔn)差Fig.4　The STD of DCB of each station

4　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)對(duì)TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模塊的研究，本文實(shí)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(duì)比多組實(shí)測(cè)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(jī)DCB的單站電離層VTEC建模功能，并可擴(kuò)展為區(qū)域電離層模型，能夠反映測(cè)站電離層情況。將DataQC估計(jì)結(jié)果與GIM插值結(jié)果進(jìn)行比較，其RMS小于3 TECu。通過(guò)對(duì)多天數(shù)據(jù)的處理，可評(píng)估測(cè)站觀測(cè)環(huán)境、接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量以及接收機(jī)硬件穩(wěn)定性，可用于CORS網(wǎng)的選址、監(jiān)測(cè)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?yàn)镚NSS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(xiàng)目來(lái)源：浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目(2014C33048，2016C31123)。