張 寧，何正斌，趙春梅，張浩越,1

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；

2.中國測繪科學(xué)研究院 北京房山人衛(wèi)激光國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100036）

0 引言

2020年6月23日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即北斗三號（BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3）最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射成功，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）邁出了重大的一步，美國的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）早已不是唯一可供選擇的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）進一步加強與完善，GNSS的觀測數(shù)據(jù)也向著多系統(tǒng)、多頻點方向發(fā)展[1]，為導(dǎo)航定位精度以及可靠性的提升等方面提供新的支持。在對 GNSS觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理時，接收機自主交換格式（receiver independent exchange format, RINEX）也正逐漸向著高版本進行過度[2-3]。由于衛(wèi)星健康狀況、GNSS數(shù)據(jù)接收機所處觀測環(huán)境、及其相關(guān)硬件性能不同，對后期觀測數(shù)據(jù)的高精度處理有著非常重要的影響，因此，GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與分析是十分重要的。

目前，GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的軟件有很多種，包括德國聯(lián)邦測繪局（Bundesamt für Kartographie und Geod?sie,BKG）研發(fā)的布恩克（BNC, BKG Ntrip Client）軟件、美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體（Non-profit University-Governed Consortium, Facilitates Geoscience Research and Education Using Geodesy, UVAVCO）開發(fā)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、元數(shù)據(jù)編輯及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查（translation,editing and quality checking, TEQC）軟件、捷克國家大地測量局研發(fā)的阿努比斯（Anubis）等[4]，并且上述數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件已在文獻[5]中進行過了相關(guān)的功能對比，以及性能優(yōu)劣的分析，驗證了Anubis軟件可以處理 RINEX3.02版本以上的多星多頻GNSS數(shù)據(jù)，并提供強大的可視化視圖工具。文獻[6]利用Anubis軟件處理了BDS新信號新頻點的數(shù)據(jù)。文獻[7]從信噪比、偽距多路徑、數(shù)據(jù)飽滿度、數(shù)據(jù)完整率等方面對觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析。文獻[8]利用Anubis軟件從可見衛(wèi)星數(shù)、信噪比、多路徑效應(yīng)等三方面對BDS-3衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，結(jié)果顯示，BDS衛(wèi)星信號在抗多路徑效應(yīng)能力方面明顯優(yōu)于GPS。

本文利用Anubis軟件，以國際GNSS服務(wù)組織（International GNSS Service, IGS）的北京房山站為研究對象，對2020年北京房山站相同天線不同接收機的多系統(tǒng)GNSS觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估的指標

1.1 數(shù)據(jù)完整率

由于外界觀測環(huán)境中的復(fù)雜多變，以及GNSS數(shù)據(jù)接收機的硬件性能等相關(guān)問題的存在，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生及傳輸過程中，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)信號缺失、數(shù)據(jù)信號解析校驗不合格等現(xiàn)象，最終造成觀測數(shù)據(jù)文件信息的缺失并影響了最后的數(shù)據(jù)質(zhì)量[5]。數(shù)據(jù)完整率是反映觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個重要指標。數(shù)據(jù)完整率定義為，在一個時段內(nèi)的實際觀測歷元數(shù)與理論觀測歷元數(shù)的比值[1]，則其計算為

式中：H為實際歷元數(shù)；E為理論歷元數(shù)；C為數(shù)據(jù)完整率。其值越小，表明數(shù)據(jù)質(zhì)量越差，通常要求不得低于85%[9]。

1.2 信噪比

信噪比（signal-noise ratio,SNR）作為反映載波相位觀測質(zhì)量的重要指標之一，通過載波信號強度與噪聲強度的比值來進行定義，單位為 dB·Hz，信噪比數(shù)值的大小受衛(wèi)星發(fā)射設(shè)備及地面站接收機的增益、GNSS接收機設(shè)置的衛(wèi)星仰角、衛(wèi)星與接收機之間幾何距離的多路徑效應(yīng)等多個因素影響[5]。觀測文件中，每顆衛(wèi)星的每個歷元所對應(yīng)的信噪比值都可以從觀測文件中直接獲取。若已知未經(jīng)標準化的原始信號強度，可將其標準化，其計算公式為

式中：sn_rnx為標準化信號強度；sn_raw為原始信號強度。信噪比的值越大，表明信號越強，觀測精度越高[9]。

1.3 偽距多路徑

在信號傳播過程中，不同物體對信號有著不同的反射與折射，從而造成了接收機接收到了來自多個路徑的信號，由這多個路徑的信號傳播所產(chǎn)生的干涉時延效應(yīng)就稱為多路徑效應(yīng)。在觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的過程中，多路徑效應(yīng)通常被認為是偽距觀測值多路徑的影響。Anubis數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核軟件中，具有進行偽距多路徑解算的通用公式，它利用偽距和載波相位觀測值的線性組合，對所有GNSS的雙觀測值進行多路徑估計[10-16]，即

其中

式中：MP （multipath）為偽距多路徑效應(yīng)；P為雙頻偽距觀測值；L為雙頻載波相位觀測值；f為頻率；下標中k、i和j為頻率索引，MP值越小，表示多路徑效應(yīng)越弱。

1.4 周跳比

周跳（cycle clips）是由于GNSS載波相位測量中，因衛(wèi)星信號失鎖而導(dǎo)致的整周計數(shù)的跳變或中斷。同時，周跳能夠很好的反映出載波相位觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞。通常利用載波觀測值和偽距進行無幾何（geometry-free,LG）組合、墨爾本-維貝納（Melbourne-Wübbena,MW）組合以探測周跳，將不同歷元間的差分結(jié)果與閾值進行對比，超出閾值的則被認定為周跳。本文中應(yīng)用周跳比（cycle slip ratio,CSR）來表示觀測值的周跳狀況，其值越高，說明觀測數(shù)據(jù)中發(fā)生周跳次數(shù)越多，數(shù)據(jù)質(zhì)量越差。周跳比的計算[9]為

式中：O為觀測值數(shù)；Slps為周跳數(shù)。根據(jù)IGS觀測站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析顯示，超過 2/3測站的CSR平均值小于10，本次北京房山IGS測站的質(zhì)量分析以此指標作為判斷指標。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果分析

本文以北京房山IGS站同一天線不同接收機接收的 145天內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)為研究對象，從數(shù)據(jù)完整率、信噪比、偽距多路徑、周跳比等多個方面進行觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估。

2.1 數(shù)據(jù)完整率分析

由于篇幅有限，本文對北京房山 IGS站同一天線不同接收機觀測（BJFS和BJF9）數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率結(jié)果進行按月統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。由表1可知，在5個月內(nèi)有不少于3個月的數(shù)據(jù)完整率達100%，且每個月每個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率均值在99%以上，因此可以證明，這3個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率都很高。其中BDS和GPS的數(shù)據(jù)完整率在每個月的數(shù)值上相等，而在BJF9接收機接收的一月份觀測數(shù)據(jù)中，GLONASS的數(shù)據(jù)完整率相比其他兩個系統(tǒng)低了0.5%。同時從表1中可以看出，BJFS在二月份的數(shù)據(jù)完整率最差，為99.92%，BJF9在一月份的結(jié)果最差，但最差結(jié)果也超過了99.9%，由此可見，北京房山測站的數(shù)據(jù)完整率較好。

2.2 信噪比分析

本文以 2020年北京房山站同一天線不同接收機的觀測數(shù)據(jù)為實驗數(shù)據(jù)，對其各系統(tǒng)的各個頻點信號的信噪比數(shù)值進行如下分析：圖1為BJFS接收機145天內(nèi)觀測數(shù)據(jù)的各頻點SNR均值，圖2表示BJF9接收機145天內(nèi)觀測數(shù)據(jù)的各頻點SNR均值，其中橫坐標為各系統(tǒng)的各個頻點信號，縱坐

圖1 BJFS接收機數(shù)據(jù)的各頻點信噪比均值

圖2 BJF9接收機數(shù)據(jù)的各頻點信噪比均值

標為信噪比的數(shù)值大小，單位為dB·Hz。從圖1及圖2可以看出，GPS_S2W頻點信號的 SNR值是最小的，其均值小于35 dB·Hz，但其它GPS頻點信號的信噪比數(shù)值均大于 40 dB·Hz。其中GPS_S2W頻點信號SNR值偏小，是由于GPS_S2W本身的載波信號強度較弱，因此在相同噪聲的情況下，GPS_S2W的SNR值較其他頻點的SNR值要小。而BDS和GLONASS下的各頻點信號則不存在這個問題，且其信號頻點的信噪比較為一致，無明顯波動，且數(shù)值較高、信號強度較強。

2.3 多路徑分析

利用 Anubis軟件處理 145天內(nèi) BJFS接收機接收的觀測數(shù)據(jù)，得到多路徑均方根（root mean square,RMS）結(jié)果統(tǒng)計，如圖3所示。

圖3 BJFS接收機接收的145天內(nèi)，各系統(tǒng)頻點的多路徑RMS值變化情況

圖3中：GPS_mp1為C1C觀測量的碼多路徑效應(yīng)，GPS_mp2為C2W和C2X量的平均碼多路徑效應(yīng)；GLONASS_mp1為C1C和C1P的平均碼多路徑效應(yīng)，GLONASS_mp2為C2C和C2P的平均碼多路徑效應(yīng)；BDS_mp2為C2I觀測量的碼多路徑效應(yīng)，BDS_mp6為C6I觀測量的碼多路徑效應(yīng)，BDS_mp7為C7I觀測量的碼多路徑效應(yīng)。

BDS多路徑RMS值最小，其值為15～30 cm，其中 BDS_mp6的多路徑 RMS數(shù)值小于 20 cm；GPS的多路徑RMS值次之，其數(shù)值為25～35 cm；GLONASS的多路徑RMS值最大，GLONASS_mp1與GLONASS_mp2均超過了35 cm，GLONASS_mp1甚至在145天內(nèi)均超過40 cm。

圖4為BJF9接收機接收的觀測數(shù)據(jù)，在145天內(nèi)的各系統(tǒng)各頻點的多路徑效應(yīng)的RMS值的變化情況。

圖4 BJF9接收機接收的145天內(nèi)，各系統(tǒng)頻點的多路徑RMS值變化情況

圖4中：GPS_mp1為C1C觀測量的碼多路徑效應(yīng)；GPS_mp2為C2W和C2X量的平均碼多路徑效應(yīng)；GLONASS_mp1為C1C和C1P的平均碼多路徑效應(yīng)；GLONASS_mp2為C2C和C2P的平均碼多路徑效應(yīng)；BDS_mp2為 C2I觀測量的碼多路徑效應(yīng)；BDS_mp7為C7I觀測量的碼多路徑效應(yīng)。

由圖4可知，BDS的偽距多路徑效RMS值最小，其值為 15～30 cm，BDS_mp7的多路徑 RMS值最小，其145天內(nèi)的平均值為16.4 cm。GPS的多路徑RMS數(shù)值結(jié)果次之，其數(shù)值為20～35 cm。GLONASS的多路徑RMS值最大，GLONASS_mp1在 145天內(nèi)的多路徑 RMS最小值為 36.9 cm，GLONASS_mp2在145天內(nèi)的多路徑RMS最大值為35.9cm，再次證明了GLONASS_mp1的多路徑RMS數(shù)值最大。

2.4 周跳分析

圖5為BJFS接收機觀測數(shù)據(jù)在145天內(nèi)的周跳比變化情況，從圖5中可以看出，BJFS接收機觀測數(shù)據(jù)在145天內(nèi)，除了其中3天的周跳比CSR大于 10外，其余的周跳比 CSR值均小于 10，且分布在 4～10之內(nèi)，145天觀測數(shù)據(jù)的周跳比方差為1.45，平均值為7.97。

圖5 BJFS接收機觀測數(shù)據(jù)在145天內(nèi)的周跳比變化情況

圖6表示了BJF9接收機觀測數(shù)據(jù)在145天內(nèi)的周跳比變化情況。從圖6可以看出，除了其中兩天的周跳比 CSR值大于 5，其他 143天的周跳比 CSR值均小于 5，且其 145天內(nèi)的周跳比的方差為0.35，平均值為4.11，由此可得，BJF9觀測數(shù)據(jù)的周跳比離散程度要比BJFS觀測數(shù)據(jù)的周跳比離散程度小，所以周跳比的結(jié)果數(shù)值更穩(wěn)定。雖然本實驗采用同一天線同一型號的接收機進行數(shù)據(jù)的接收，但是接收機的版本號不同，BJF9接收機的版本號比BJFS的版本號要高，相關(guān)固件設(shè)備也有了相應(yīng)升級，因此BJF9接收機的衛(wèi)星跟蹤能力和抗干擾能力更強一些，發(fā)生衛(wèi)星信號失鎖的情況也就更少一些，因此發(fā)生周跳的情況也要更少。所以導(dǎo)致了BJF9接收機觀測數(shù)據(jù)的周跳比要優(yōu)于BJFS接收機觀測數(shù)據(jù)的周跳比。

圖6 BJF9接收機觀測數(shù)據(jù)在145天內(nèi)的周跳比變化情況

2.5 其他方面關(guān)于數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析

2.5.1 可見衛(wèi)星數(shù)

從可見衛(wèi)星數(shù)的方面，以北京房山 IGS測站同一天線不同接收機的觀測數(shù)據(jù)進行分析說明，圖7表示BJF9接收機的觀測數(shù)據(jù)中，不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)變化情況。

圖7 BJF9接收機觀測數(shù)據(jù)在145天內(nèi)的可見衛(wèi)星數(shù)變化情況

從圖7中可以清楚的看出，GPS的可見衛(wèi)星數(shù)最多，為 31顆左右；BDS的可見衛(wèi)星數(shù)次之，為27顆左右；GLONASS的可見衛(wèi)星數(shù)最少，在23顆衛(wèi)星左右。

圖8表示了BJFS接收機觀測數(shù)據(jù)在145天內(nèi)的不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)的變化情況。由圖8可知，GPS的可見衛(wèi)星數(shù)最多，為31顆左右；BDS的可見衛(wèi)星數(shù)次之，為27顆左右，GLONASS的可見衛(wèi)星數(shù)最少，為23顆衛(wèi)星左右。

圖8 BJFS在145天內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)的變化情況

2.5.2 數(shù)據(jù)連續(xù)性

數(shù)據(jù)連續(xù)性采用對所有年積日的觀測結(jié)果取均值的方法進行統(tǒng)計與分析，觀測數(shù)據(jù)中斷造成了數(shù)據(jù)不連續(xù)。影響數(shù)據(jù)中斷數(shù)的因素包括因缺失歷元而造成的歷元中斷數(shù)、因未能連續(xù)跟蹤衛(wèi)星而造成的衛(wèi)星中斷數(shù)、因接收機未能連續(xù)捕獲信號或發(fā)生遮擋等原因而造成的信號中斷數(shù)和周跳數(shù)[16]。

圖9及圖10為兩臺接收機觀測數(shù)據(jù)中斷情況統(tǒng)計圖。

圖9 BJFS接收機觀測數(shù)據(jù)的中斷數(shù)統(tǒng)計

圖10 BJF9接收機觀測數(shù)據(jù)的中斷數(shù)統(tǒng)計

從圖9和圖10 中可以看出，GPS的總中斷數(shù)是最少的，其中主要是信號中斷數(shù)。并且在各個系統(tǒng)中，歷元中斷數(shù)幾乎可以忽略不記，可見因缺失歷元而發(fā)生中斷的可能非常小。通過圖9和圖10的對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然BDS的總中斷數(shù)最高，但是由于BJF9 接收機的版本要高于BJFS接收機的版本，因此衛(wèi)星的跟蹤能力變強，抗中斷能力有所增強，所以造成了BJF9 較 BJFS的 BDS總中斷數(shù)有了明顯減少的情況，使得BJFS 接收機觀測數(shù)據(jù)中BDS的總中斷數(shù)從3 172 減少至BJF9中的1 296，減少了近2.5倍。

2.5.3 可視化

為了更好地反映各系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量情況，選取一天對 BJFS接收機和 BJF9接收機的GPS/GLONASS/BDS三個系統(tǒng)的衛(wèi)星運行軌跡圖做進一步的可視化分析。圖11顯示了BJFS接收機接收的衛(wèi)星的天空運行軌跡，圖12顯示了BJF9接收機接收的衛(wèi)星的天空運行軌跡，橫坐標代表方位角，縱坐標代表高度角。從圖11、圖12可以看出，GPS的衛(wèi)星天空軌跡最密集，星座可用衛(wèi)星數(shù)最多，且星座結(jié)構(gòu)較好。GLONASS的軌跡最少，隨著我國BDS-3的全球組網(wǎng)，星座會更加完善。

圖12 BJF9接收機接收衛(wèi)星的軌跡

3 結(jié)束語

本文以北京房山 IGS測站為研究對象，利用Anubis軟件對2020年中145天內(nèi)，同一天線不同接收機（BJFS和BJF9）的多系統(tǒng)GNSS觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，得出以下結(jié)論：

1）從數(shù)據(jù)完整率的角度看，北京房山IGS站的多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率較高，其數(shù)據(jù)完整率達99%以上，其中BDS和GPS的數(shù)據(jù)完整率比GLONASS的數(shù)據(jù)完整率高。

2）除了 GPS_S2W信號之外，GNSS的其它信號的信噪比值均大于 40 dB·Hz，說明信號強度較強。

3）在處理多路徑效應(yīng)的問題上，BDS的多路徑RMS值要比其他兩個系統(tǒng)小，其值為15～30 cm；GPS其次，多路徑RMS值為20～35 cm；GLONASS的多路徑RMS值最大，但145天內(nèi)的多路徑RMS值也均在50 cm之內(nèi)。

4）實驗時間段內(nèi)的周跳比CSR值，只有3天的數(shù)值超過了 10，其余CSR值均在 10以內(nèi)，并且由于硬件設(shè)備升級的原因，BJF9比 BJFS的觀測數(shù)據(jù)的周跳比要小很多。北京房山 IGS站的多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)滿足周跳比檢核的要求。

5）從可見衛(wèi)星數(shù)量及天空圖中可以看出，在北京房山 IGS站上，GPS的可見衛(wèi)星數(shù)量依舊是最多的，且衛(wèi)星天空軌跡最密集。

6）就北京房山IGS站145天內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)而言，GPS的總中斷數(shù)最少，所以數(shù)據(jù)連續(xù)性是最好的。其次是GLONASS。BDS的總中斷數(shù)最多，隨著BDS衛(wèi)星的不斷發(fā)射成功、接收機設(shè)備的升級，中斷數(shù)正在不斷減少，將來會擁有更好的數(shù)據(jù)連續(xù)性。