張宇琳，王友昆,2，余章蓉，丁仁軍，寸壽才

(1.昆明市測(cè)繪研究院，昆明 650051；2.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079；3.昆明理工大學(xué) 津橋?qū)W院，昆明 650106)

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是為滿足我國(guó)軍事、民用對(duì)實(shí)時(shí)高精度定位的需求而建立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，系統(tǒng)的建設(shè)分為3個(gè)階段：1994—2003年建立BDS-1系統(tǒng)，為中國(guó)用戶提供定位、導(dǎo)航和短報(bào)文服務(wù)；2004—2012年建立BDS-2系統(tǒng)，期間共發(fā)射14顆衛(wèi)星(5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星)；2020年，我國(guó)建設(shè)完成BDS-3基本系統(tǒng)，進(jìn)一步擴(kuò)展服務(wù)區(qū)域，為全球用戶提供實(shí)時(shí)定位服務(wù)。BDS-3的出現(xiàn)標(biāo)志著我國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后，第三個(gè)擁有自主建設(shè)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的國(guó)家[2]。

國(guó)際GNSS服務(wù)(International GNSS Service，IGS)是國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)為支持全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展建立的協(xié)作組織，截至2009年，IGS地面跟蹤站的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到422個(gè)[3-5]，可以為全球大地測(cè)量和衛(wèi)星定位研究學(xué)者提供豐富的全球GNSS數(shù)據(jù)樣本和產(chǎn)品。

目前，BDS二代已經(jīng)建設(shè)完成，BDS三代也處于發(fā)射完成的后續(xù)調(diào)整過(guò)程中[6-8]，因此，文中利用IGS全球跟蹤站點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為研究樣本，以BDS二代衛(wèi)星作為研究對(duì)象，分3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)可接收到BDS信號(hào)的IGS站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

1 IGS站點(diǎn)北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

1.1 IGS北斗站點(diǎn)分布情況

文中選取IGS全球站點(diǎn)中302個(gè)站點(diǎn)2020年DOY165的GNSS數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)樣本，其站點(diǎn)分布情況如圖1所示。從緯度方向觀察，IGS站點(diǎn)主要分布在80°S～80°N之間，其中北半球站點(diǎn)數(shù)量為216，南半球站點(diǎn)數(shù)量為85。從經(jīng)度方向觀察，東半球站點(diǎn)數(shù)量為169，西半球站點(diǎn)數(shù)量為132。

將圖1的302個(gè)IGS站點(diǎn)按照能否接收到BDS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行劃分，其分布情況如圖2所示?？梢越邮盏紹DS衛(wèi)星信號(hào)的站點(diǎn)有222個(gè)，無(wú)法接收到BDS衛(wèi)星信號(hào)的站點(diǎn)有80個(gè)，其中東半球可以采集BDS數(shù)據(jù)的站點(diǎn)有144個(gè)，占東半球站點(diǎn)總數(shù)的85.2%；西半球可以采集BDS數(shù)據(jù)的站點(diǎn)有78個(gè)，占西半球站點(diǎn)總數(shù)的59.1%。

圖1 IGS站點(diǎn)分布情況

圖2 IGS站點(diǎn)北斗可接收情況

按照洲為單位進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，歐洲地區(qū)可接收到BDS信號(hào)的站點(diǎn)最多，北美地區(qū)可接收到BDS信號(hào)的站點(diǎn)最少。

1.2 北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)

對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)完整率是表現(xiàn)接收機(jī)性能和衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)特征的第一個(gè)指標(biāo)。通過(guò)數(shù)據(jù)完整率，可以判斷站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)在頻點(diǎn)、衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)上是否滿足建設(shè)的需求，其次關(guān)注站點(diǎn)采集時(shí)數(shù)據(jù)丟失的情況，可以反映接收機(jī)數(shù)據(jù)采集的性能。在處理過(guò)程中，首先會(huì)根據(jù)頭文件的觀測(cè)值類型、采樣時(shí)間間隔和時(shí)長(zhǎng)判斷當(dāng)前觀測(cè)值文件理論上具備的觀測(cè)值數(shù)量，之后再統(tǒng)計(jì)實(shí)際的觀測(cè)值數(shù)量，兩者之比即為該觀測(cè)值文件的數(shù)據(jù)完整率。

(1)

式中：integrity為數(shù)據(jù)完整率;Obs_r為實(shí)際觀測(cè)值數(shù)量;Obs_t為理論觀測(cè)值數(shù)量。

MP數(shù)值反映的是觀測(cè)信號(hào)在某信號(hào)頻率上多路徑效應(yīng)的影響[9-10]。MP值越小，站點(diǎn)周圍環(huán)境越好，接收機(jī)抗多路徑效應(yīng)的能力越強(qiáng)。多路徑效應(yīng)算式如下：

(2)

式中：Pi為第i頻率上的偽距觀測(cè)值;φi,φj分別為第i和第j頻率上的相位觀測(cè)值;α為第一和第三頻率fi,fj之比的平方，即α=(fi/fj)2。

由式(2)可知，傳統(tǒng)的多路徑誤差公式是一種偽距與載波觀測(cè)值的組合公式。根據(jù)式(2)，每一個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)MP數(shù)值，最終可以得到MP數(shù)值的時(shí)間序列，然后對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行STD統(tǒng)計(jì)得到最終多路徑效應(yīng)的結(jié)果[11-13]。

信噪比是表明GNSS信號(hào)強(qiáng)度的一種指標(biāo)，一般在30～50 dB/Hz之間[14-15]。信噪比的數(shù)值越高，表明衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量越好。目前IGS站點(diǎn)使用的接收機(jī)具備輸出各個(gè)頻點(diǎn)信噪比的功能，在進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析時(shí)，可以直接讀取觀測(cè)文件中的信噪比觀測(cè)值，用于分析接收機(jī)、天線對(duì)信號(hào)的追蹤能力。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

文中通過(guò)FTP協(xié)議訪問(wèn)IGS站點(diǎn)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)是crx格式的，需要利用crx2rnx軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，得到Rinex格式的數(shù)據(jù)。觀察得到的Rinex數(shù)據(jù)文件發(fā)現(xiàn)，不同的IGS站點(diǎn)數(shù)據(jù)格式不一致，轉(zhuǎn)化后得到的文件具有Rinex 3.02、Rinex 3.03和Rinex 3.04等不同版本，利用RTKLIB的convbin軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)格式版本統(tǒng)一，將采集得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一為Rinex 3.02版本。在Rinex 3.02中，BDS數(shù)據(jù)信息如表1所示。表1中的“t”分別為“I”“Q”“X”，表示不同的信道或碼。

表1 Rinex 3.02的BDS數(shù)據(jù)信息

然后利用自開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件，對(duì)每個(gè)站點(diǎn)BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差和信噪比計(jì)算。數(shù)據(jù)處理策略如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)處理策略

2.1 數(shù)據(jù)完整率分析

由于衛(wèi)星播發(fā)機(jī)制和接收機(jī)性能的不同，獲取的觀測(cè)文件中，部分站點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)存在系統(tǒng)性的頻點(diǎn)缺失現(xiàn)象，這種缺失不是站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差導(dǎo)致的，需要結(jié)合衛(wèi)星、接收機(jī)的拒聽(tīng)情況進(jìn)行分析，因此，文中將每顆衛(wèi)星最多能采集到觀測(cè)值類型數(shù)量與歷元數(shù)的積作為理論觀測(cè)值數(shù)量。222個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 IGS站點(diǎn)北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整率

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn),222個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)完整率分布在13%～100%之間，其中數(shù)據(jù)完整率達(dá)到93%以上的站點(diǎn)有131個(gè)，占總站點(diǎn)數(shù)量的59.0%，所有測(cè)站北斗信號(hào)的數(shù)據(jù)完整率均值為83.0%。對(duì)所有站點(diǎn)的數(shù)據(jù)完整率進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 IGS站點(diǎn)北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整率分布

2.2 多路徑誤差分析

由式(2)可知，采用多路徑誤差算式得到MP時(shí)間序列，需要進(jìn)一步處理才可以得到所需的站點(diǎn)多路徑誤差數(shù)值。式(2)中運(yùn)用偽距觀測(cè)值和相位觀測(cè)值，而相位觀測(cè)值由于遮擋或其他情況發(fā)生周跳時(shí)，MP序列也會(huì)出現(xiàn)跳變，因此在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要進(jìn)行預(yù)處理，TEQC軟件的思路是采用周跳探測(cè)結(jié)合窗口平滑的方法，文中利用周跳探測(cè)方法將序列進(jìn)行分段，然后進(jìn)行STD計(jì)算處理，得到多路徑誤差數(shù)值。最終得到的匯總結(jié)果如圖5所示。

圖5 IGS站點(diǎn)多路徑誤差

分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，大量站點(diǎn)的多路徑誤差分布在0.10～0.5 m之間，部分多路徑誤差高于0.5 m的標(biāo)準(zhǔn)值，最大的多路徑誤差可達(dá)1.93 m，該值出現(xiàn)在NCKU站點(diǎn)的MP21。同時(shí)分析發(fā)現(xiàn)GLPS站無(wú)多路徑誤差計(jì)算結(jié)果，原因是該站點(diǎn)僅接收B1頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行多路徑誤差的計(jì)算。綜合所有測(cè)站統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，能采集到B1頻點(diǎn)數(shù)據(jù)的站點(diǎn)有222個(gè)；能采集到B2頻點(diǎn)數(shù)據(jù)的站點(diǎn)有221個(gè)；能采集到B3頻點(diǎn)數(shù)據(jù)的站點(diǎn)有165個(gè)，如表3所示。

表3 頻點(diǎn)與接收站點(diǎn)數(shù)量

為進(jìn)一步觀察MP的分布規(guī)律，將多路徑誤差的結(jié)果進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，如圖6所示。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，IGS站點(diǎn)不同頻點(diǎn)的多路徑誤差分布存在細(xì)微的數(shù)值差別，在0.25～0.50 m之間，MP31的站點(diǎn)百分比要遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)頻點(diǎn)；在0.50～2.00 m之間，MP12的站點(diǎn)較多，百分占比最高，但是MP12低于0.50 m的站點(diǎn)較少。其次，所有有效站點(diǎn)3個(gè)頻點(diǎn)的多路徑誤差均值分別為1.02 m、0.85 m、0.76 m。

圖6 IGS站點(diǎn)多路徑誤差直方圖

2.3 信噪比分析

最后進(jìn)行北斗3個(gè)頻點(diǎn)信噪比的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖7所示。觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)，信噪比觀測(cè)值數(shù)量與表3的規(guī)律一致，說(shuō)明所有IGS站點(diǎn)都能采集有效頻點(diǎn)的信噪比觀測(cè)值。

圖7 IGS站點(diǎn)信噪比均值

從信噪比的分布規(guī)律來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)不同站點(diǎn)之間信噪比的差值較小，3個(gè)頻點(diǎn)信噪比的最大值、最小值和均值如表4所示。

表4 3個(gè)頻點(diǎn)信噪比 dB/Hz

由表4可知，在北斗的3個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)中，B2頻點(diǎn)的信噪比均值最大，信號(hào)強(qiáng)度最好，B1頻點(diǎn)的信號(hào)在IGS全球站點(diǎn)中最穩(wěn)定，B3頻點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度較大，但是信號(hào)強(qiáng)度并不穩(wěn)定。

3 北斗三代IGS站點(diǎn)的使用

最后文中利用下載的數(shù)據(jù)，進(jìn)行全球IGS站點(diǎn)北斗三代數(shù)據(jù)采集情況的統(tǒng)計(jì)。北斗三代分兩個(gè)階段建設(shè)完成，一是試驗(yàn)階段，衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間為2015年3月30日至2016年2月1日，PRN號(hào)為C31、C56、C57、C58；二是建設(shè)階段，衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間為2017年11月5日至2020年6月23日，PRN號(hào)為C19-C30、C32-C46、C59-C61。

北斗三代致力于建設(shè)全球定位導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，因?yàn)楸倍啡男l(wèi)星主要是MEO衛(wèi)星，包含試驗(yàn)階段的4顆衛(wèi)星，整個(gè)北斗三代總共有34顆衛(wèi)星，由3顆GEO衛(wèi)星(C59-C61)、5顆IGSO衛(wèi)星(C31、C38-C40、C56)和26顆MEO衛(wèi)星組成。

此外，北斗三代衛(wèi)星信號(hào)的頻率組成也發(fā)生變化，與除了兼容表1中的全部頻點(diǎn)(將原B1改為B1-2，Rinex識(shí)別為C2t、L2t、D2t和S2t)，新增加B1、B2a、B2信號(hào)，并對(duì)原B2信號(hào)增加新的編碼。目前，Rinex 3.04中，北斗信號(hào)的數(shù)據(jù)信息如表5所示。

表5 Rinex 3.04的BDS數(shù)據(jù)信息

統(tǒng)計(jì)之前下載的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：可接收北斗二代的站點(diǎn)除CAS1，HRAG，ONS1，TWTF和USN9站外，均可采集北斗三代的數(shù)據(jù)，其中可采集到北斗三代新信號(hào)的站點(diǎn)有64個(gè)，可采集到北斗全部信號(hào)的站點(diǎn)有28個(gè)。

4 結(jié) 論

文中介紹BDS的建設(shè)進(jìn)展與IGS全球站點(diǎn)的分布情況，并將IGS全球站點(diǎn)按照能否接受BDS信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，之后從數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差和信噪比3個(gè)方面對(duì)全球222個(gè)IGS站點(diǎn)的BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，并對(duì)上述站點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，得到BDS二代衛(wèi)星全球應(yīng)用的部分規(guī)律，同時(shí)對(duì)IGS站點(diǎn)北斗三代的觀測(cè)情況進(jìn)行研究。

通過(guò)文中的研究，可以發(fā)現(xiàn)：①85.2%的東半球IGS站點(diǎn)可以接收到BDS數(shù)據(jù)，59.1%的西半球IGS站點(diǎn)可以接收到BDS數(shù)據(jù)；②222個(gè)可接收BDS信號(hào)的站點(diǎn)可以接收B1信號(hào)的有222個(gè)，可接收B2信號(hào)的有221個(gè)，可接收B3信號(hào)的有165個(gè)；③可接收BDS信號(hào)的站點(diǎn)多路徑誤差分布有明顯區(qū)別，3個(gè)頻點(diǎn)的多路徑誤差均值分別為1.02m、0.85m、0.76m；④BDS 3個(gè)頻點(diǎn)中，B1信號(hào)最為穩(wěn)定，B3信號(hào)穩(wěn)定性最差，B2信號(hào)強(qiáng)度最大。⑤目前IGS站點(diǎn)中可觀測(cè)到北斗三代新信號(hào)的站點(diǎn)較少，本次實(shí)驗(yàn)的302個(gè)站點(diǎn)中僅64個(gè)站點(diǎn)可采集。