左 宗，陳明劍，李 瀅，姚 翔(信息工程大學，河南 鄭州 450001)

極地石油、礦產(chǎn)等自然資源種類繁多且儲量豐富，很多地區(qū)尚未被開發(fā)，是人類珍貴的能源基地。為了更好地進行極地科考，爭取極地利益，我國需要自主可靠的極地導航定位服務[1]。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)正按照“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略快速推進，為我國的極區(qū)自主衛(wèi)星導航定位創(chuàng)造了平臺。衛(wèi)星定位過程中，觀測數(shù)據(jù)會受到各種不確定環(huán)境因素及系統(tǒng)因素等的影響，產(chǎn)生質量上的差異。數(shù)據(jù)質量好壞將直接影響導航定位解算結果[2]。復雜的極地電磁環(huán)境和測站的高緯度分布，會對衛(wèi)星的幾何構型、信噪比和多路徑效應等造成一定影響[3]，電離層閃爍引起的電離層結構變化也會改變GNSS在極地的定位性能[4]。為進一步評估極地環(huán)境對GNSS數(shù)據(jù)質量的影響，本文以信噪比、多路徑效應和電離層延遲變化率等作為數(shù)據(jù)質量評價指標，對極地測站的GNSS實測數(shù)據(jù)進行質量分析。研究結論對于認識極地GNSS定位性能，提高極地GNSS測量的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。

1 評估內(nèi)容和方法

1.1 信噪比

信噪比(SNR)指接收的載波信號強度與噪聲強度的比值。接收機載噪比通?？杀硎緸镃/N，即以1 Hz帶寬為參考的信噪比S/N。衛(wèi)星導航信號為弱信號，當GPS C/A碼輸入功率為額定度功率-130 dBm時，接收機載噪比約為44 dB/Hz[5]。輸入功率小于額定度功率或衛(wèi)星信號受到遮擋，信噪比值會相應降低，不利于信號檢測。信噪比可用于比較不同信道和衛(wèi)星間的信號強度，評估環(huán)境干擾的影響。相對中低緯度測站，極地觀測的GNSS信號受人為電磁活動的干擾理應更少。

1.2 多路徑效應

接收機接收到的衛(wèi)星信號中包含有經(jīng)地物或建筑等表面反射到達接收機天線的間接信號。間接信號的路徑不一，使得觀測數(shù)據(jù)含有測距誤差。載波相位的波長較短且一般不超過其波長的1/4，量級上遠小于偽距多路徑，而高反射場景下的偽距多路徑效應可達到數(shù)米，故常?？珊雎暂d波相位多路徑效應，利用載波相位和偽距組合觀測值求解偽距多路徑誤差[6]。f1、f2兩個不同頻點的多路徑誤差MP1和MP2可表示為

(1)

(2)

式中，P為偽距觀測值；φ為載波相位觀測值；ε為偽距觀測噪聲；λ為載波波長；N為整周模糊度。

1.3 電離層延遲變化率與電離層閃爍

電離層延遲變化率反映了電離層延遲和電子含量變化的劇烈程度，是認識電離層活動的重要窗口。電離層延遲是位置解算中不可忽略的誤差項，需通過建?；虿罘址椒ㄏ?。電離層延遲變化率不僅影響周跳探測的準確程度，還影響用戶電離層改正信息的正確性和時效性，可作為周跳的判別條件[7]。

利用雙頻載波相位觀測量，電離層延遲可表示為

(3)

電離層延遲對應歷元間作差可得到電離層延遲變化率，電離層延遲變化率在數(shù)據(jù)預處理中應用廣泛，是較為常見的數(shù)據(jù)質量評價指標。極地地區(qū)電離層閃爍現(xiàn)象較頻繁，會對衛(wèi)星導航定位服務和運控等造成影響，導致信號捕捉跟蹤困難、數(shù)據(jù)誤碼或丟失等[8]。電離層延遲變化率在一定程度上反映了電離層活動對導航定位可能造成的影響，是極地GNSS數(shù)據(jù)質量評價體系中重要的指標之一。

2 試驗結果分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

試驗對象選用了IGS高緯度測站(cas1、ohi3和reyk)和南極中山站2015年4月5日至10日連續(xù)采集的多頻多系統(tǒng)GNSS數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)至少包括了北斗B1/B2和GPS L1//L2，采樣間隔為30 s。IGS測站數(shù)據(jù)均出自MGEX(multi-GNSS experiment)，采用LEIAR25天線。中山站衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集使用的接收機型號為GMR-4011，天線為LEIAR25。IGS測站在高緯度的分布少且只有少部分能采集并提供北斗數(shù)據(jù)。為更準確地體現(xiàn)高緯度的數(shù)據(jù)質量特征，加入中低緯度IGS站(cut0)的觀測數(shù)據(jù)作為對比，圖1為測站分布。

圖1 試驗數(shù)據(jù)來源測站分布

2.2 極地BDS信噪比特征分析

選取高緯度IGS站、中山站和cut0站2015年4月5日至10日的GNSS觀測數(shù)據(jù)，分析極地BDS不同軌道衛(wèi)星的信噪比特征及其隨時間的變化規(guī)律。以中山站4月5日的GNSS衛(wèi)星信噪比結果為例，cut0測站結果作為對比。圖2為中山站GNSS衛(wèi)星B1/L1頻點信噪比和B2/L2頻點信噪比的變化序列，圖3為cut0站GNSS衛(wèi)星B1/L1頻點信噪比和B2/L2頻點信噪比的變化序列。表1為IGS測站不同年積日的BDS衛(wèi)星信噪比誤差統(tǒng)計結果。

圖2 中山站GNSS衛(wèi)星不同頻點信噪比序列

圖3 cut0站GNSS衛(wèi)星不同頻點信噪比序列

表1 IGS測站不同年積日BDS信噪比統(tǒng)計 dB/Hz

極地衛(wèi)星信號衰減更加嚴重，低緯測站衛(wèi)星信噪比在不同高度角條件的信噪比差異更明顯。從圖2、圖3和表1可以得到，極地測站BDS信噪比整體峰值相對低緯測站更小，對比cut0站衛(wèi)星信號信噪比結果，中山站衛(wèi)星信噪比峰值僅為50.5 dB/Hz。一般情況下，當衛(wèi)星高度角較大，信噪比可達50～55 dB/Hz。中山站衛(wèi)星信號信噪比分布相對低緯測站更集中，L1頻點的信噪比大多分布在34～50 dB/Hz，L2頻點的信噪比大多分布在17～43 dB/Hz，L2頻點信噪比明顯低于L1頻點和B2頻點信噪比。極地測站觀測到的非靜止軌道衛(wèi)星信號信噪比隨時間變化更穩(wěn)定，地球靜止軌道衛(wèi)星信噪比序列存在較大波動，可能與極地測站的低衛(wèi)星高度角和較少的人為電磁環(huán)境干擾有關。

2.3 極地BDS多路徑特征分析

選取高緯度IGS站、中山站和cut0站2015年4月5日至10日的GNSS觀測數(shù)據(jù)，分析在極地BDS不同軌道衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差特征及其隨時間的變化規(guī)律。根據(jù)中山站GNSS數(shù)據(jù)質量分析結果，圖4—圖6為中山站和cut0站BDS中GEO、IGSO和MEO衛(wèi)星多路徑和高度角隨時間的變化，表2為測站不同年積日的BDS多路徑誤差統(tǒng)計結果。

表2 測站不同年積日BDS多路徑誤差統(tǒng)計 dB/Hz

極地GNSS多路徑效應受高度角影響較大，北斗多路徑效應可能更加嚴重。從圖4—圖6可以看出，極地測站多路徑效應隨衛(wèi)星高度角的變化呈現(xiàn)出規(guī)律性變化趨勢，與低緯度測站的衛(wèi)星多路徑效應基本一致，但也呈現(xiàn)出明顯差異。GEO衛(wèi)星的多路徑誤差的偽距多路徑誤差峰值大，且多路徑序列很不穩(wěn)定。相對于低緯度測站，衛(wèi)星高度角逐漸增大至20°時，IGSO和MEO衛(wèi)星多路徑誤差序列變化趨于穩(wěn)定。從表2可以看出，并非所有高緯度測站的多路徑效應都大，但可能出現(xiàn)非常嚴重的多路徑效應。極地中山站和cas1站的BDS多路徑效應尤為明顯，甚至造成數(shù)米的偽距測量誤差，需要在數(shù)據(jù)預處理中予以剔除。

圖4 C02衛(wèi)星多路徑和高度角隨歷元變化趨勢圖

圖5 C06衛(wèi)星多路徑和高度角隨歷元變化

圖6 C12衛(wèi)星多路徑和高度角隨歷元變化

2.4 極地BDS電離層延遲變化率特征分析

為分析極地BDS不同軌道衛(wèi)星電離層延遲變化率的特征及其在空間上的變化規(guī)律，選取中山站2015年4月5日至10日的北斗衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行分析。圖7表示中山站可觀測北斗衛(wèi)星電離層延遲變化率的相對變化，按坐標軸方向依次錯開排列，衛(wèi)星截止高度角為10°。表3統(tǒng)計了2015年4月5日中山站所有可觀測衛(wèi)星的最大衛(wèi)星高度角。將各年積日分為8個時段(每個時段3 h)，表4統(tǒng)計了中山站2015年4月5日至10日各時段的所有北斗衛(wèi)星電離層延遲變化率最大值和標準差。

圖7 BDS衛(wèi)星電離層延遲變化率相對變化

表3 中山站北斗衛(wèi)星最大高度角統(tǒng)計 (°)

表4 中山站各時段的BDS電離層延遲變化率統(tǒng)計 m/min

極地測站不同軌道類型衛(wèi)星間的電離層延遲變化率的變化趨勢不一致，一天內(nèi)各時段的電離層活動劇烈程度不一，影響北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在極區(qū)的電離層延遲改正模型建立。從表3和圖7可以看出，極地測站的觀測數(shù)據(jù)受電離層活動影響較大，電離層延遲變化率序列波動明顯，其中IGSO衛(wèi)星電離層延遲變化更劇烈；極地地區(qū)的GEO衛(wèi)星利用率較低，中山站C01和C03衛(wèi)星高度角低于10°。從表4可以看出，電離層延遲變化率在時間上的分布不具備規(guī)律性，各個時段均有可能出現(xiàn)較大的電離層延遲變化。在第4時段(9～12時)統(tǒng)計的電離層延遲變化率最大值和標準差最小，電離層發(fā)生劇烈活動的概率相對小。在第1時段(0～3時)和第7時段(18～21時)的電離層延遲變化率統(tǒng)計結果最大，該時段很有可能發(fā)生電離層閃爍等現(xiàn)象。利用電離層活動中BDS不同軌道衛(wèi)星電離層延遲變化率的不同性能，可進一步評估極地電離層活動對GNSS數(shù)據(jù)質量和衛(wèi)星大地測量的影響。

3 結 語

本文對2015年4月極地可用的北斗衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)(包括南極中山站自主采集的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù))進行了質量分析，整體刻畫了極地BDS數(shù)據(jù)質量特征。針對極地電離層閃爍特性，提出了將電離層延遲變化率應用于電離層閃爍的判定。研究發(fā)現(xiàn)：極區(qū)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質量主要受高度角影響，信噪比水平整體偏低，靜止軌道衛(wèi)星的信號更易受干擾；在極圈內(nèi)的cas1站和中山站，多路徑效應非常嚴重，特別是對于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，造成了較大的偽距測量誤差；極地衛(wèi)星導航定位性能受電離層活動影響較大，電離層延遲變化率時間上的統(tǒng)計特性可反映不同時段的電離層活動劇烈程度。

參考文獻：

[1] 楊元喜，徐君毅.北斗在極區(qū)導航定位性能分析[J].武漢大學學報(信息科學版),2016,41(1):15-20.

[2] 李曉光，程鵬飛，成英燕，等.GNSS數(shù)據(jù)質量分析[J].測繪通報，2017(3):1-4.

[3] 呂成亮，張勝凱，鄂棟臣.南極GPS數(shù)據(jù)質量分析[J].大地測量與地球動力學,2011，31(2):117-120.

[4] 馮健，甄衛(wèi)民，吳振森，等.極區(qū)電離層閃爍特征初步分析[J].電波科學學報,2015,30(2):232-236.

[5] 楊東凱.GNSS反射信號處理基礎與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[6] 尹子明，孟凡玉，陳明劍，等.衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)質量分析[J].全球定位系統(tǒng)，2016,41(1):54-59.

[7] 崔建勇，陳明劍，雷娜娜.基于電離層電子含量變化率的周跳探測方法[J].全球定位系統(tǒng),2012,37(3):37-40.

[8] 尚社平，史建魁，張北辰，等.基于全球定位系統(tǒng)的東亞電離層不規(guī)則體特性[J].電波科學學報,2014,29(4):627-633.

[9] 杜玉軍，王澤民，安家春，等.北斗系統(tǒng)在遠洋及南極地區(qū)的定位性能分析[J].極地研究,2015(1):91-97.

[10] 張小紅，郭斐，李盼，等.GNSS精密單點定位中的實時質量控制[J].武漢大學學報(信息科學版),2012,37(8):940-944.

[11] 張阿麗，熊福文，朱文耀.ITRF南山GPS連續(xù)參考點數(shù)據(jù)質量分析[J].地理空間信息,2015(3):90-92.

[12] WANNINGER L.Ionospheric Monitoring Using IGS Data，Paper Presented at the 1993 Berne IGS Workshop[C]∥GPS Serv.Berne：Int，1993.

[13] 潘麗靜.基于GNSS數(shù)據(jù)的極區(qū)電離層閃爍監(jiān)測及建模研究[D].天津：中國民航大學,2015.

[14] LIU Z，CHEN W.Study of the Ionospheric TEC Rate in Hong Kong Region and Its GPS/GNSS Application[C]∥Global Navigation Satellite System Technology Innovation & Application.[S.l.]：scirp.org，2009.

[15] 何暢，蔡昌盛.利用GPS三頻觀測值監(jiān)測電離層TEC及其變化率[J].全球定位系統(tǒng),2014,39(4):60-63.