苗 偉 安士凱 徐燕飛 薛 博 趙得榮 李 浩

(1. 煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 安徽 淮南 232001;2. 安徽省煤礦綠色低碳發(fā)展工程研究中心, 安徽 合肥 230601;3. 平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232001)

0 引言

近年來,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)技術(shù)發(fā)展迅猛,目前主流的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system, BDS)、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GLONASS)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo satellite navigation system, Galileo)、準(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(quasi-zenith satellite system, QZSS)以及印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(indian regional navigation satellite system, IRNSS)[1]。BDS-3衛(wèi)星在原BDS-2衛(wèi)星B1I、B2I、B3I信號的基礎(chǔ)上,新增B1C、B2a、B2b新信號[2]。各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間原理基本相同,但采用的衛(wèi)星信號頻率略有差異,這也為多GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航奠定了基礎(chǔ)[3]。

衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量嚴(yán)重影響著衛(wèi)星導(dǎo)航的能力[4]。國內(nèi)外諸多學(xué)者采用多種方式對衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)質(zhì)量開展了研究,武漢大學(xué)謝昕[5]對BDS-3e衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的載噪比、偽距多路徑和噪聲等指標(biāo)進(jìn)行了分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,BDS-3e衛(wèi)星在觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量方面的表現(xiàn)要比BDS-2衛(wèi)星更優(yōu)。楊元喜[6]院士著重從偽距多路徑誤差與信噪比方面對BDS-3e衛(wèi)星導(dǎo)航信號的性能進(jìn)行了評定,得到BDS-3e信號的信噪比值與高度角成正比的結(jié)論。并且,在信噪比方面,BDS-3e衛(wèi)星的表現(xiàn)較BDS-2衛(wèi)星更好。胡玉坤[7]等采用GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(translation,editing and quality checking,TEQC)對GPS衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了分析。郭恒洋[8]等采用TEQC軟件對單基站連續(xù)運(yùn)行參考站數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了分析。金蕾[9]、楊婷婷[10]等指出TEQC具有交互性差、無法處理與接收機(jī)無關(guān)的交換格式(receiver independent exchange format 3,RINEX3)的數(shù)據(jù)等缺點(diǎn),基于TEQC軟件的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模塊,開發(fā)了數(shù)據(jù)分析檢查軟件(data quality checking,DataQC),該軟件可實(shí)現(xiàn)對RINEX2、3格式的BDS/GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分析處理,但仍然缺少批處理功能,對于處理數(shù)據(jù)量過多時,其缺點(diǎn)較為明顯。

全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)(international GNSS monitoring and assessment system,iGMAS)是中國為了使BDS更好地服務(wù)于用戶而發(fā)起建設(shè)的,其功能與國際GNSS服務(wù)(International GNSS Service,IGS)類似。iGMAS在海內(nèi)外建成并投入使用且正常運(yùn)行的跟蹤站有24個,但目前針對各跟蹤站接收BDS-3衛(wèi)星信號能力的研究相對較少[11]。

基于以上研究存在的問題,本文通過分析TEQC數(shù)據(jù)處理模塊的基本原理,實(shí)現(xiàn)了iGMAS多GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件(iGMAS multi GNSS data quality analysis,MGQA)的開發(fā),該軟件支持讀取RINEX2、3格式的文件、可視化操作界面以及批處理功能。結(jié)合iGMAS跟蹤站的觀測數(shù)據(jù),對該軟件的性能進(jìn)行測試以及對iGMAS跟蹤接收BDS-3衛(wèi)星B1C/B2a新信號的能力進(jìn)行了評價。

1 MGQA軟件介紹

MGQA軟件是基于公式翻譯器語言(formula translator,Fortran)開發(fā)的一款可視化數(shù)據(jù)處理軟件,該軟件的主要原理與目前用戶量最多的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件TEQC類似,數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)主要包括數(shù)據(jù)完整率(data integrity rate，DIR)、信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)、多路徑效應(yīng)誤差(multipath effect error，MP)電離層延遲及變化率(ionospheric delay，IOD)、周跳比(cycle skip ratio，CSR)[12-14]。

MGQA軟件數(shù)據(jù)處理功能主要分為兩大塊：解算多站和解算多天。用戶可以根據(jù)需要對軟件計(jì)算時的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,具體包括計(jì)算的年積日、計(jì)算的年份、計(jì)算的跟蹤站、計(jì)算的類型(解算多站或解算多天)等。軟件參數(shù)設(shè)置界面如圖1所示。

圖1 參數(shù)設(shè)置模塊

2 軟件有效性分析

為了驗(yàn)證MGQA軟件的有效性,選取iGMAS跟蹤站2021-02-07—2021-02-16的GPS觀測數(shù)據(jù),分別采用TEQC與MGQA軟件進(jìn)行衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。將各指標(biāo)分析結(jié)果取均值后如圖2所示。

圖2 TEQC與MGQA數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果

以TEQC的GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果為準(zhǔn)確值,對比MGQA與TEQC軟件質(zhì)量分析結(jié)果,DIR中誤差為0.27、SNR中誤差為0.85 dB、MP中誤差為0.046 m、IOD中誤差為0.01 m/min、CSR中誤差為1.67。圖2中,為了更直觀地對比TEQC與MGQA質(zhì)量分析結(jié)果,將MP值擴(kuò)大100倍、IOD值擴(kuò)大1 000倍、CSR值擴(kuò)大10倍。由圖2可知,兩種軟件的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果具有高度一致性,說明MGQA可以用來評價GNSS衛(wèi)星信號質(zhì)量,結(jié)果可靠。

3 基于MGQA軟件的應(yīng)用

本節(jié)基于iGMAS跟蹤站的BDS-3觀測數(shù)據(jù),利用MGQA軟件對其進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析,評價iGMAS跟蹤站接收BDS-3衛(wèi)星信號的能力。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇：本文按照接收機(jī)類型選擇了8個iGMAS跟蹤站2021-02-07至2021-02-16的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析,其采樣間隔為30 s。表1展示了8個跟蹤站配備的接收機(jī)類型。

表1 iGMAS 8個跟蹤站接收機(jī)類型

3.1 數(shù)據(jù)完整率分析

為了能獲得完整的理論觀測值,實(shí)驗(yàn)中將衛(wèi)星高度角設(shè)置為0°。圖3展示了各跟蹤站對BDS-3衛(wèi)星B1C/B2a信號接收的數(shù)據(jù)完整率情況。

(a)B1C

由圖3可知,對于B1C頻點(diǎn),赫曼努斯站接收C40號衛(wèi)星信號時,數(shù)據(jù)完整率為92.18%,低于95%,但仍然高于85%;對于B2a頻點(diǎn),西安站接收C25號衛(wèi)星時,數(shù)據(jù)完整率為92.08%,低于95%,但仍然高于85%;赫曼努斯站與西安站均搭載的GNSS-GGR接收機(jī),說明該種類型接收機(jī)在數(shù)據(jù)完整率方面表現(xiàn)不如UB4B0-13478、CETC-54-GMR-4016以及CETC-54-GMR-4011接收機(jī)。

3.2 信噪比分析

信噪比分析結(jié)果如圖4所示。

(a)B1C

由圖4可知,對于B1C頻點(diǎn),赫曼努斯站C38與C40號衛(wèi)星信噪比值分別為38.62 dB與39.34 dB,小于40 dB,其余測站各衛(wèi)星信噪比值均大于40;對于B2a頻點(diǎn),各衛(wèi)星信噪比值均大于40 dB;說明4種類型接收機(jī)對BDS-3衛(wèi)星B2a頻點(diǎn)信號的接收能力要強(qiáng)于B1C頻點(diǎn)。

3.3 多路徑效應(yīng)誤差分析

多路徑效應(yīng)誤差分析結(jié)果如圖5所示。

(a)B1C

由圖5可知,對于B1C頻點(diǎn)與B2a頻點(diǎn),搭載了CETC-54-GMR-4016接收機(jī)的卡爾加里站各衛(wèi)星多路徑誤差均為最大,說明卡爾加里站周圍環(huán)境較為復(fù)雜,且CETC-54-GMR-4016接收機(jī)抗多路徑能力較差。

3.4 電離層延遲及延遲變化率分析

電離層延遲變化率分析如圖6所示。

(a)B1C

由圖6可知,對于B1C頻點(diǎn)與B2a頻點(diǎn),搭載了UB4B0-13478接收機(jī)的昆明站各衛(wèi)星電離層延遲變化率最大,但均小于4 m/min,說明UB4B0-13478接收機(jī)削弱電離層延遲能力較差。

3.5 周跳分析

周跳分析結(jié)果如圖7所示，赫曼努斯站與達(dá)爾文周跳現(xiàn)象較嚴(yán)重。說明GNSS-GGR接收機(jī)與CETC-54-GMR-4011接收機(jī)的B1C/B2a頻點(diǎn)易發(fā)生周跳。UB4B0-13478接收機(jī)與BCETC-54-GMR-4016接收機(jī)在抑制周跳方面表現(xiàn)良好。

圖7 各跟蹤站B1C/B2a頻點(diǎn)組合周跳比

4 結(jié)束語

(1)筆者通過對TEQC軟件的數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行研究,基于Fortran語言,實(shí)現(xiàn)了iGMAS多GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析(MGQA)軟件的開發(fā)。該軟件的優(yōu)點(diǎn)在于可支持讀取RINEX2、3格式的文件、可視化操作界面以及批處理功能。

(2)通過選取iGMAS跟蹤站的GPS觀測數(shù)據(jù),采用TEQC軟件與MGQA軟件分別進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二者數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果具有一致性,驗(yàn)證了MGQA軟件的有效性。

(3)通過選取iGMAS跟蹤站的觀測數(shù)據(jù),利用MGQA軟件對iGMAS各跟蹤站接收BDS-3衛(wèi)星B1C與B2a信號的能力進(jìn)行評價。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：GNSS-GGR接收機(jī)在數(shù)據(jù)完整率方面表現(xiàn)不如UB4B0-13478、CETC-54-GMR-4016以及CETC-54-GMR-4011接收機(jī),CETC-54-GMR-4016接收機(jī)抗多路徑能力較差,UB4B0-13478接收機(jī)削弱電離層延遲能力較差,GNSS-GGR接收機(jī)與CETC-54-GMR-4011接收機(jī)的B1C/B2a頻點(diǎn)易發(fā)生周跳,且4種類型接收機(jī)對BDS-3衛(wèi)星B2a頻點(diǎn)信號的接收能力要強(qiáng)于B1C頻點(diǎn)。