一種多GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析工具

張國(guó)利，楊開(kāi)偉，陳秀德

(1.92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第54研究所，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050081)

0 引言

隨著多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展，除現(xiàn)有的比較成熟的美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)外，更有后起迅猛的中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)和歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)，以及日本準(zhǔn)天頂導(dǎo)航系統(tǒng)(quasi-zenith satellite system，QZSS)和印度的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)(Indian regional navigation satellite system，IRNSS)系統(tǒng)。多系統(tǒng)、多頻點(diǎn)、多星座的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)必將成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的大勢(shì)所趨[1]。目前，常用的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)分析工具，包括由UNAVCO Facility研發(fā)的TEQC[2]、由德國(guó)地學(xué)中心(German Research Centre for Geosciences，GFZ)研發(fā)的gfzrnx[3]、和由GNSS數(shù)據(jù)中心(The GNSS Data Center，GDC)研發(fā)的BKG Ntrip Client (BNC)[4]等。TEQC軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核，但是目前還不能處理RINEX2.11以上更高版本的數(shù)據(jù)，并且該工具是不開(kāi)源的，不利于進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，此外該工具的可視化成圖還需借助其他工具，如qcview；gfzrnx軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、簡(jiǎn)單的質(zhì)量檢核與統(tǒng)計(jì)，目前也是不開(kāi)源的，并且無(wú)法可視化[3]；BNC軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的基本質(zhì)量檢核，它雖然是開(kāi)源的，但目前還是主要進(jìn)行傳統(tǒng)信號(hào)、頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)分析工作，未對(duì)新信號(hào)、新頻點(diǎn)的特性展開(kāi)分析討論[4]。

本文介紹了一種能夠處理多GNSS數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理分析工具(multi-GNSS data quality analysis tool，MDQAT)。

1 主要算法

目前，MGDQAT工具可以進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核工作，如采用三頻數(shù)據(jù)的周跳探測(cè)與估計(jì)、實(shí)時(shí)鐘跳的探測(cè)與修復(fù)、多頻多信號(hào)的多路徑探測(cè)、高精度標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位(single point positioning，SPP)功能等。本節(jié)就MGDQAT工具的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核中的主要算法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

1.1 周跳探測(cè)與估計(jì)

MGDQAT采用M-W和無(wú)電離層線性組合來(lái)探測(cè)周跳[5]?；谠驾d波相位觀測(cè)值，形成新的線性組合，利用文獻(xiàn)[6-7]中提到的三頻載波相位組合觀測(cè)量來(lái)探測(cè)與估計(jì)周跳，以GPS三頻載波相位觀測(cè)量為例，具體公式為

φewl=φ2-φ5

(1)

φwl=φ1-φ5

(2)

φnl=2φ1-φ2

(3)

式中：φewl為拓展的寬巷觀測(cè)量(extra-wide-lane)，是由GPSL2和L5頻點(diǎn)上φ2和φ5相位觀測(cè)量線性組合得到的；φwl為寬巷觀測(cè)量(wide-lane)，是由GPSL1和L5頻點(diǎn)上φ1和φ5相位觀測(cè)量線性組合得到的；φnl為窄巷觀測(cè)量(narrow-lane)，是由GPSL1和L2頻點(diǎn)上的φ1和φ2相位觀測(cè)量線性組合得到的。

利用三頻相位組合觀測(cè)量數(shù)據(jù)探測(cè)與修復(fù)周跳的主要流程如下：

(4)

(5)

式中：Newl為寬巷觀測(cè)量的整周模糊度；Ni、fi、Pi、φi、ΔNi依次為L(zhǎng)i(i=2,5)頻點(diǎn)上的載波相位整周模糊度、載波波長(zhǎng)、偽距觀測(cè)量、相位觀測(cè)量以及周跳；ΔNewl和λewl分別為發(fā)生在寬巷觀測(cè)量上的周跳(包含小數(shù)部分)和；ΔPi、Δφi分別為發(fā)生在Li(i=2,5)頻點(diǎn)上的歷元間的偽距差值和歷元間的載波差值。

φewl-φwl=Newlλewl-Nwlλwl+η1I

(6)

ΔNwl=(Δφewl-Δφwl-η1ΔI+ΔNewlλewl)/λwl

(7)

式中：Ni、λi分別為i(i=ewl,wl)組合觀測(cè)量的整周模糊度和波長(zhǎng)；η1=βewl-βwl為電離層延遲殘差系數(shù)，β*為電離層尺度因子；I為發(fā)生在寬巷觀測(cè)量上的電離層延遲；Δφi為i(i=ewl,wl)組合觀測(cè)量的歷元間差值；ΔI為歷元間寬巷觀測(cè)量上電離層差值。

φwl-φnl=Nnlλnl-Nwlλwl+η2I

(8)

ΔNnl=(φwl-φnl-η2ΔI+ΔNwlλwl)/λnl

(9)

ΔI=Δ(φ1-φi)/(k1i-1)

(10)

式中：φwl、φnl含義同公式(2)、(3)；Ni、λi分別為i(i=nl,wl)組合觀測(cè)量的整周模糊度和波長(zhǎng)；η2=βwl-βnl為電離層延遲殘差系數(shù)；計(jì)算電離層延遲殘差ΔI時(shí)，因?yàn)長(zhǎng)2和L5頻率比較接近，因此采用ΔI=Δ(φ1-φ2)/(k12-1)(或ΔI=Δ(φ1-φ5)/(k15-1))來(lái)計(jì)算均可。

至此求出了發(fā)生在3種線性組合觀測(cè)量上的整周周跳，它們與原始相位觀測(cè)值上的一個(gè)周期的周跳有如下關(guān)系，其計(jì)算公式為

(11)

1.2 鐘跳的探測(cè)與修復(fù)

MGDQAT數(shù)據(jù)處理工具采用的是文獻(xiàn)[11]中提到的實(shí)時(shí)鐘跳探測(cè)與修復(fù)的方法。首先給出鐘跳探測(cè)量S，如式(12)所示。從式(12)中可看出，當(dāng)殘留電離層延遲以及噪聲可以忽略不計(jì)的情況下，當(dāng)未發(fā)生大的周跳，S指標(biāo)可以很好地探測(cè)鐘跳。此外，為了保證該方法的可靠性，引入另一探測(cè)量TGF，如式(13)所示，該量對(duì)鐘跳并不敏感，采用該量來(lái)消除鐘跳過(guò)程中周跳帶來(lái)的不利影響。當(dāng)|Sj|>k1認(rèn)為可能發(fā)生了鐘跳，將針對(duì)特定衛(wèi)星可能發(fā)生鐘跳的觀測(cè)量標(biāo)記為“1”。文獻(xiàn)[13]中指出S與衛(wèi)星高度角有很大的相關(guān)性，其值變化范圍在幾分米到幾米之間，并且給出k1=10-3c-3σ(c為光在真空中的速度，σ為噪聲)，σ一般取值為3～5 m，即

(12)

TGF=Δ(L1-L2)

(13)

為了進(jìn)一步準(zhǔn)確探測(cè)出接收機(jī)鐘跳，利用鐘跳的整毫秒特性來(lái)區(qū)分鐘跳和周跳，其計(jì)算方法為

(14)

(15)

式中：n為按照|Sj|>k1條件得到的鐘跳個(gè)數(shù)；JS即實(shí)際鐘跳值；round(M)表示變量M近似取整；k2一般取值在1×10-4～1×10-5ms之間。

采用僅修復(fù)相位觀測(cè)值的方法進(jìn)行鐘跳的修復(fù)，即調(diào)整相位觀測(cè)值，使其與碼觀測(cè)值保持一致，其計(jì)算公式為

(16)

1.3 多路徑探測(cè)

MGDQAT數(shù)據(jù)處理工具采用適用于所有頻點(diǎn)、所有信號(hào)、所有星座的估計(jì)偽距多路徑的通用算法[5-6]，其計(jì)算公式為

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLj

(17)

(18)

式中：MPi即發(fā)生在i頻點(diǎn)的多路徑；Pi、Li分別為i頻點(diǎn)上的偽距、載波相位觀測(cè)；fi為i頻點(diǎn)的頻率。如果k=i=1，j=2，即可得到MR1，其計(jì)算公式為

(19)

同理，當(dāng)k=i=2、j=1時(shí)，就可得到MR，其計(jì)算公式為

(20)

當(dāng)k=5、i=1、j=2時(shí)，可得到Mp5，其計(jì)算公式為

(21)

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

數(shù)據(jù)源為2018年1月3日J(rèn)FNG站(國(guó)際MGEX監(jiān)測(cè)站之一)的數(shù)據(jù)。輸入原始觀測(cè)數(shù)據(jù)(JFNG0030.18O)和多系統(tǒng)混合的廣播星歷文件(brdm0030.18p)，數(shù)據(jù)的衛(wèi)星截止高度角為0°，利用MGDQAT工具進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析以及可視化成圖，部分分析結(jié)果如圖1～圖4所示。

圖1中橫坐標(biāo)為各系統(tǒng)不同觀測(cè)類型，其編碼由2部分組成，即系統(tǒng)標(biāo)識(shí)(包括BDS/GPS/GLO/GAL 4種，依次表示BDS/GPS/GLONASS/Galileo系統(tǒng))和觀測(cè)類型(包括C/L/D/S，依次表示碼/載波相位/多普勒/信噪比觀測(cè)量)，如“GPSC”，表示GPS系統(tǒng)的碼觀測(cè)量；縱坐標(biāo)表示各系統(tǒng)各觀測(cè)量的數(shù)據(jù)完整率(數(shù)據(jù)完整率=實(shí)際觀測(cè)歷元數(shù)/理論歷元數(shù)乘100 %)。

圖2中橫坐標(biāo)為各系統(tǒng)各頻點(diǎn)的信噪比，其編碼由衛(wèi)星系統(tǒng)標(biāo)識(shí)(包括C/G/R/E/J/S，依次表示BDS/GPS/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS系統(tǒng))和觀測(cè)類型(根據(jù)RINEX3.03定義)2個(gè)部分組成，如“CS1I”，表示BDS的“S1I”信噪比觀測(cè)量；縱坐標(biāo)為各系統(tǒng)各類信噪比值。

圖1 各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不同類型觀測(cè)量的完整率統(tǒng)計(jì)情況

圖2 各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不同頻點(diǎn)信噪比統(tǒng)計(jì)

圖1給出了各衛(wèi)星系統(tǒng)碼偽距/載波相位/多普勒/信噪比觀測(cè)量的數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)情況。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，各衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)部，不同觀測(cè)量的完整率基本一致；BDS的數(shù)據(jù)完整率最高，都在80 %以上；GLONASS的數(shù)據(jù)完整率最低，在70 %以下。

圖2 中給出了各系統(tǒng)的不同頻點(diǎn)的信噪比統(tǒng)計(jì)情況。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，除GPS的S2W信噪比觀測(cè)量外，各系統(tǒng)各頻點(diǎn)的信噪比觀測(cè)量都在40 dB以上；QZSS系統(tǒng)的S5X信噪比最好，其值在50 dB以上，此外，GPS的S5X和Galileo的S8X信噪比性能略差于JS5X，其值也在48 dB以上。

圖3中橫坐標(biāo)為各系統(tǒng)各頻點(diǎn)的多路徑，其編碼衛(wèi)星系統(tǒng)(同圖2)和多路徑類型標(biāo)識(shí)組成，如“GM1X”中，‘G’表示GPS系統(tǒng)；‘M1X’，表示多路徑類型；縱坐標(biāo)為各系統(tǒng)各類型碼多路徑值，單位為厘米。

圖3 各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不同頻點(diǎn)碼多路徑統(tǒng)計(jì)

圖4中橫坐標(biāo)為各系統(tǒng)東、北、天3個(gè)方向，其編碼由衛(wèi)星系統(tǒng)(同圖1)和方向?qū)傩?E、N、U分別代表東、北、天3個(gè)方向)組成，如GPSU，表示GPS天方向；縱坐標(biāo)為各系統(tǒng)各方向的定位精度，單位為米。

圖4 各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)ENU方向定位精度統(tǒng)計(jì)

圖3給出了JFNG站各衛(wèi)星各頻點(diǎn)的碼多路徑的統(tǒng)計(jì)情況。從圖中可看出，BDS和QZSS各頻點(diǎn)碼多路徑互差最小，都在30 cm內(nèi)；Galileo系統(tǒng)的M8X碼多路徑最小，在10 cm內(nèi)；SBAS的M1C碼多路徑最大，大于70 cm。

圖4給出了BDS/GPS/GLONASS/Galileo 4個(gè)系統(tǒng)在N/E/U方向的定位精度。從圖中可看出，在JFNG站，GPS的SPP精度最好，N和E方向的精度都在1 m以內(nèi)，U方向精度在2 m左右；GAL的精度僅次于GPS，N和E方向精度在1 m以內(nèi)，U方向的精度將近3 m；GLONASS的精度最差，U方向精度達(dá)6 m。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種多GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量處理分析工具，對(duì)該工具的主要算法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，同時(shí)對(duì)該工具的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析討論。該工具中的主要算法順應(yīng)了多GNSS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)該工具擁有強(qiáng)大的可視化及自動(dòng)化處理功能，完全能夠靈活地適應(yīng)于目前多系統(tǒng)、多頻點(diǎn)、多星座的數(shù)據(jù)質(zhì)量處理工作。