張 軻，姚 旭，劉 揚(yáng)

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068；2.西安財(cái)經(jīng)大學(xué)，陜西 西安 710100)

0 引 言

監(jiān)測站用于采集偽距和載波相位等原始觀測數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)處理中心提供這些數(shù)據(jù)用于高精度軌道、鐘差、電離層改正等處理，為系統(tǒng)基本導(dǎo)航業(yè)務(wù)和星基增強(qiáng)業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。然而，監(jiān)測站在實(shí)際接收衛(wèi)星信號(hào)的過程中，由于電磁干擾、多徑等因素，觀測數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)異常，可能會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行衛(wèi)星精密定軌、系統(tǒng)完好性監(jiān)測和增強(qiáng)處理等產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

為了保證數(shù)據(jù)處理中心使用數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)運(yùn)算的風(fēng)險(xiǎn)和壓力，監(jiān)測站在將觀測數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理中心之前，必須對(duì)原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量綜合分析處理，保證發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心的觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。本文提出了一種監(jiān)測站綜合監(jiān)測處理與評(píng)估技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢驗(yàn)和一致性檢測、信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測、測量值質(zhì)量監(jiān)測等，從而確保了監(jiān)測站發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心的觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為數(shù)據(jù)處理中心提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量綜合監(jiān)測處理技術(shù)

利用觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量綜合監(jiān)測處理技術(shù)對(duì)每臺(tái)接收機(jī)的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)，然后分別進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)質(zhì)量綜合監(jiān)測和測量值合理性監(jiān)測。信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測包括載噪比檢測和碼-載波偏離度檢測；數(shù)據(jù)質(zhì)量綜合監(jiān)測進(jìn)行衛(wèi)星星歷驗(yàn)證；測量值質(zhì)量監(jiān)測主要包括載波相位平滑碼偽距變化量檢測。接著對(duì)多路接收機(jī)的數(shù)據(jù)綜合進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)一致性檢測，最后將觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量綜合監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示，存在數(shù)據(jù)質(zhì)量有異常情況時(shí)，進(jìn)行告警和上報(bào)。處理流程如圖1所示。

圖1 監(jiān)測處理評(píng)估技術(shù)流程圖

2 觀測數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)

觀測數(shù)據(jù)是衛(wèi)星接收機(jī)對(duì)外輸送的主要數(shù)據(jù)信息，觀測數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)就是對(duì)接收機(jī)狀態(tài)、偽距、載波相位、載噪比、多普勒頻移等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，以判別測量值的明顯誤差。監(jiān)測方法主要包括檢測接收機(jī)反饋工作狀態(tài)，分析觀測數(shù)據(jù)數(shù)值合理性，以及對(duì)觀測數(shù)據(jù)時(shí)序進(jìn)行擬合處理。

2.1 接收機(jī)狀態(tài)分析

監(jiān)測接收機(jī)實(shí)時(shí)反饋?zhàn)陨砉ぷ髑闆r，通過檢測接收機(jī)工作狀態(tài)信息可以判斷當(dāng)前接收機(jī)各個(gè)通道接收衛(wèi)星信息是否正常，以及整個(gè)接收機(jī)工作是否正常。

2.2 數(shù)值范圍的合理性檢驗(yàn)

監(jiān)測接收機(jī)輸出的偽距、載波相位、載噪比、多普勒頻移等數(shù)據(jù)正常的情況下，應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，檢測這些數(shù)據(jù)，如果超出對(duì)應(yīng)范圍(門限值)，可以認(rèn)為這些數(shù)據(jù)不合理，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

門限值的確定如下：收取長時(shí)間的數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)算相應(yīng)數(shù)據(jù)的均值和方差，通過對(duì)均值和方差的分析確定合適的門限值。

2.3 時(shí)間序列上的擬合預(yù)測分析

偽距是觀測數(shù)據(jù)中反映衛(wèi)星與站點(diǎn)距離變化的重要參數(shù)，在一定時(shí)間內(nèi)偽距的變化應(yīng)該是連續(xù)的、有平滑特性的。當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，在某段時(shí)間內(nèi)的偽距就會(huì)發(fā)生跳變，打破原有的連續(xù)特性，據(jù)此可以判斷偽距的合理性。

在一定時(shí)間內(nèi)，偽距值y與時(shí)間x之間滿足y=ax+b的線性關(guān)系，利用連續(xù)10個(gè)歷元的偽距數(shù)據(jù)，使用最小二乘法來計(jì)算偽距的變化率a和截距b，計(jì)算公式如下所示：

(1)

(2)

在短時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星相對(duì)于監(jiān)測站的位置穩(wěn)定，此時(shí)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度、接收機(jī)和衛(wèi)星鐘速也相對(duì)穩(wěn)定，假設(shè)均為a。已知前一時(shí)刻偽距值，通過剛假設(shè)的短時(shí)內(nèi)偽距變化率a，可估算當(dāng)前時(shí)刻偽距值：

(3)

(4)

dP的絕對(duì)值與檢測門限值作比較，若小于門限值，則檢測通過，認(rèn)為該秒的偽距觀測值合理；若大于門限值，則檢測不通過，認(rèn)為該秒的偽距觀測值有問題。

3 信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測

經(jīng)過觀測數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可以視為接收機(jī)輸出的合理數(shù)據(jù)，但合理數(shù)據(jù)并不一定是可靠的、有效的數(shù)據(jù)，如何判斷評(píng)估數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，就需要進(jìn)一步分析處理。首先，需要對(duì)檢驗(yàn)完畢的數(shù)據(jù)信息在信號(hào)層面的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測評(píng)估。信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測主要用于檢測衛(wèi)星信號(hào)在傳輸過程中沒有發(fā)生跳變，并保證信號(hào)傳輸功率滿足系統(tǒng)要求，這里可以通過對(duì)載噪比檢測和碼-載波偏離度檢測來實(shí)現(xiàn)。

3.1 載噪比檢測

使用載噪比檢測衛(wèi)星信號(hào)需要對(duì)監(jiān)測接收機(jī)當(dāng)前所有可視衛(wèi)星的每個(gè)頻點(diǎn)的載噪比(C/N0)分別進(jìn)行計(jì)算分析[1]。方法如下：

計(jì)算接收機(jī)m接收到的衛(wèi)星n在當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻載噪比的平均值：

C/N0_avg,m,n(k)=

(5)

將平均后得到的載噪比值同設(shè)置的檢測門限值進(jìn)行比較，若大于門限值，則檢測通過；若小于門限值，接收機(jī)很難從噪聲中將信號(hào)分離出來，則檢測不通過。

由于監(jiān)測接收機(jī)可視衛(wèi)星的俯仰角變化直接影響該衛(wèi)星的載噪比，仰角和載噪比呈現(xiàn)正相關(guān)特性，因而檢測門限是按照衛(wèi)星仰角10°一個(gè)臺(tái)階進(jìn)行設(shè)置的。

門限值的確定如下：收取長時(shí)間的數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)算相應(yīng)數(shù)據(jù)的均值和方差，通過對(duì)均值和方差的分析，確定合適的門限值。

3.2 碼-載波偏離度檢測

碼-載波偏離度檢測用于探測電離層風(fēng)暴并確保對(duì)于任何給定的衛(wèi)星碼和載波的偏離度足夠小[2]。通常使用GMA(Geometric Moving Averaging)方法來估算碼-載波偏離度D(k)。

計(jì)算接收機(jī)m接收到的衛(wèi)星n的Dm,n(k)：

Dm,n(k)=

(6)

式中：τs為時(shí)間常數(shù)，通常取為100 s；Ts為數(shù)據(jù)更新率；z為原始的碼減載波值，dz是當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻z的差值。

對(duì)于接收機(jī)m接收到的衛(wèi)星n，計(jì)算zm,n(k)：

zm,n(k)=ρm,n(k)-φm,n(k)=

2Im,n(k)+Mm,n(k)-Nm,n(k)λ

(7)

式中：ρ為碼偽距；φ為載波相位；I為電離層延遲；M為多徑誤差；N為整周模糊度；λ為波長。

計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻z的差值dzm,n(k)：

dzm,n(k)=zm,n(k)-zm,n(k-1)=

2(Im,n(k)-Im,n(k-1))+

(Mm,n(k)-Mm,n(k-1))-

(Nm,n(k)-Nm,n(k-1))λ=

2(Im,n(k)-Im,n(k-1))+

(Mm,n(k)-Mm,n(k-1))

(8)

若當(dāng)前沒有載波周跳，則上式中的整周模糊度Nm,n會(huì)被消去，若有載波周跳，則GMA濾波器需要重置。

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測

經(jīng)過信號(hào)層面質(zhì)量監(jiān)測評(píng)估后，數(shù)據(jù)的實(shí)際有效性也需要進(jìn)一步進(jìn)行質(zhì)量分析處理，以便剔除無效數(shù)據(jù)。

由于接收機(jī)接收到的可視衛(wèi)星星歷在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測可以通過對(duì)可視衛(wèi)星的星歷對(duì)比監(jiān)測來分析導(dǎo)航數(shù)據(jù)是否可靠，具體方法如下：

對(duì)每顆衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。連續(xù)跟蹤衛(wèi)星播發(fā)的星歷數(shù)據(jù)，采用連續(xù)多組星歷數(shù)據(jù)計(jì)算同一時(shí)刻衛(wèi)星位置信息，如果結(jié)果相對(duì)差異較大，超過一定范圍，則認(rèn)為星歷檢測異常。方法如下：

用新星歷計(jì)算k時(shí)刻衛(wèi)星位置p1：

(9)

式中：rx1、ry1、rz1為用新星歷計(jì)算的衛(wèi)星三維位置坐標(biāo)。

用舊星歷計(jì)算k時(shí)刻衛(wèi)星位置p2：

(10)

式中：rx2、ry2、rz2為用舊星歷計(jì)算的衛(wèi)星三維位置坐標(biāo)。

對(duì)于衛(wèi)星s，第k時(shí)刻，計(jì)算新舊星歷計(jì)算的衛(wèi)星位置差的絕對(duì)值：

Δps=|p1s(k)-p2s(k)|

(11)

將Δps與相應(yīng)的檢測門限值相比較，若Δps大于檢測門限值，則對(duì)相應(yīng)衛(wèi)星標(biāo)注未通過檢測標(biāo)識(shí)。

門限值的確定：收取長時(shí)間的數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)算相應(yīng)數(shù)據(jù)的均值和方差，通過對(duì)均值和方差的分析確定相應(yīng)的門限值。

5 測量值質(zhì)量監(jiān)測

接收機(jī)輸出的觀測數(shù)據(jù)包括一部分連續(xù)的測量值，因此測量值監(jiān)測是通過分析某一時(shí)段連續(xù)偽距、載波相位等觀測量的連續(xù)性，以檢測突然的階躍和其它的快變誤差。測量值質(zhì)量監(jiān)測主要包括載波平滑碼變化量檢測。

載波相位觀測量在一段時(shí)間內(nèi)變化量與偽距碼變化量表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，可以利用相鄰的2個(gè)時(shí)刻碼偽距和載波相位變化量來計(jì)算原始的偽距碼觀測量的沖擊與階躍誤差[3]。這種方法使用載波相位觀測量的變化值，平滑分析碼偽距觀測量。具體處理方法如下：

(1) 對(duì)每臺(tái)接收機(jī)的每顆衛(wèi)星進(jìn)行HATCH濾波，計(jì)算平滑碼偽距值Ps,m,n：

φm,n(k)×λ-φm,n(k-1)×λ)

(12)

式中：k為時(shí)間點(diǎn)；Ns=τs/Ts，τs為時(shí)間常數(shù)，取值為100 s，Ts為原始觀測量的采樣間隔；Pm,n為碼偽距觀測量；φm,n為載波相位觀測量；λ為波長。

(2) 根據(jù)平滑碼偽距值計(jì)算統(tǒng)計(jì)量值sInnom,n：

sInnom,n(k)=Pm,n(k)-(Ps,m,n(k-1)+

φm,n(k)×λ-φm,n(k-1)×λ)

(13)

式中：各符號(hào)代表的含義與(1)中相同。

(3) 將統(tǒng)計(jì)結(jié)果sInnom,n的絕對(duì)值與預(yù)先設(shè)置的統(tǒng)計(jì)量閾值TsInno進(jìn)行差值分析，若二者差值小于零，則認(rèn)為碼偽距正常，若二者差值大于零，同時(shí)連續(xù)出現(xiàn)3次，則產(chǎn)生1個(gè)異常標(biāo)志，認(rèn)為碼偽距異常。

統(tǒng)計(jì)量閾值TsInno是通過統(tǒng)計(jì)各種衛(wèi)星類型和不同的衛(wèi)星仰角分別進(jìn)行加權(quán)處理后預(yù)設(shè)的。這些對(duì)閾值的處理可以提高檢測的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高載波平滑碼變化量檢測的精度。

為了進(jìn)一步提升觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測性能，將載噪比檢測、碼-載波偏離度檢測、衛(wèi)星星歷驗(yàn)證、載波平滑碼變化量檢測的結(jié)果進(jìn)行綜合處理和邏輯判決，最大程度地對(duì)各種異常情況進(jìn)行全面的檢測，有效降低觀測數(shù)據(jù)異常的漏檢和誤檢概率。

6 觀測數(shù)據(jù)一致性檢測

監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)通常會(huì)有多臺(tái)接收機(jī)作為數(shù)據(jù)來源，這樣一來可以通過對(duì)多路數(shù)據(jù)來源進(jìn)行平行驗(yàn)證，通過計(jì)算多路偽距和載波相位在同一時(shí)段的一致性檢測處理，分析出該時(shí)段的可用衛(wèi)星和數(shù)據(jù)正常的接收機(jī)。偽距與載波相位一致性分析方法大體相同，下面以偽距為例介紹檢測方法。

對(duì)每個(gè)偽距測量值求它的距離修正值，公式如下：

PRC=ρ-D+c·(B-ΔB·Δt)-c·(I+T)

(14)

式中：ρ為偽距測量值，此處使用的是多徑消除后的偽距；D為衛(wèi)星和用戶之間的真實(shí)距離；B為衛(wèi)星所發(fā)射的鐘偏差；ΔB為衛(wèi)星鐘漂；T為對(duì)流層延遲；I為電離層延遲；c為光速。

計(jì)算距離修正值與接收機(jī)m中所有衛(wèi)星距離修正值平均值的差異：

(15)

式中：m為接收機(jī)號(hào)；n為衛(wèi)星號(hào)；Sc為接收機(jī)跟蹤的所有衛(wèi)星集合；Nc為集合Sc的成員個(gè)數(shù)。

計(jì)算所有接收機(jī)中衛(wèi)星n的距離修正值的平均值：

(16)

式中：Sn為對(duì)衛(wèi)星n有效測量的接收機(jī)的集合；M(n)為集合Sn的成員個(gè)數(shù)。

衛(wèi)星n的B值是通過計(jì)算當(dāng)前衛(wèi)星所有接收機(jī)距離平均值和排除當(dāng)前接收機(jī)之外的距離平均值做差得到的改正參數(shù)：

(17)

當(dāng)Sn變化或接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星失鎖時(shí)，B值需要重置。

以北斗二號(hào)6號(hào)衛(wèi)星為例，使用北斗時(shí)間200周，190 000 s之后約1 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)一致性檢測，B值-時(shí)間分布圖如圖2所示。

圖2 北斗二號(hào)6號(hào)星B值-時(shí)間分布圖

從圖2可以看出，3號(hào)接收機(jī)誤差超過了門限值，相對(duì)其他兩臺(tái)而言精度損失較大。對(duì)相同時(shí)間段的北斗二號(hào)其它衛(wèi)星進(jìn)行距離修正參數(shù)B值的統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)象類似，1號(hào)接收機(jī)和2號(hào)接收機(jī)B值小于預(yù)設(shè)閾值，3號(hào)接收機(jī)B值超過預(yù)設(shè)閾值，綜合判斷3號(hào)接收機(jī)一致性檢測不通過。

7 結(jié)束語

本文通過綜合分析監(jiān)測站數(shù)據(jù)質(zhì)量的信號(hào)有效性、數(shù)據(jù)可用性、測量值合理性等多種途徑實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測站數(shù)據(jù)質(zhì)量綜合監(jiān)測處理技術(shù)的攻關(guān)，經(jīng)過多年實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，能夠有效對(duì)傳輸給數(shù)據(jù)處理中心的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量綜合監(jiān)測評(píng)估。