北斗观测数据的质量检查与分析

白征东，吴刚祥, 任 常

(清华大学 土木工程系，北京100084)

一、引 言

GNSS定位过程中，不可避免地会受到多种误差的影响，如电离层延迟、对流层延迟、多路径效应等[1]。因此，在实现GNSS精密定位前，有必要对GNSS观测数据进行质量检查和分析，以减弱、消除各种误差因素对定位结果的影响。

目前国际上公认比较优秀的质量检查软件是由UNAVCO研制开发的GPS/GLONASS数据预处理软件TEQC[2-3]，它的主要功能包括格式转换、编辑和质量检查。利用TEQC进行质量检查可以反映出观测数据的卫星信号信噪比、接收机周跳、电离层延迟，以及多路径影响等方面的信息[4]。TEQC功能强大、简单易用，但它只能处理GPS/GLONASS的观测数据，不能处理北斗观测数据。

我国的北斗卫星导航系统目前已正式投入运营，但国内外针对北斗观测数据所进行的质量检查研究工作还较少。因此，对北斗观测数据进行质量检查算法研究和实例分析，将具有重要的理论意义和实际意义。本文讨论了北斗观测数据质量检查的内容及实现方法，并进行了实例分析。

二、质量检查内容与方法

观测数据的质量检查内容包括卫星信号信噪比、接收机周跳、电离层延迟，以及多路径影响等方面的信息，其中电离层延迟和多路径效应是影响观测数据质量的主要因素，对观测数据质量的影响较为明显。

质量检查算法流程如图1所示。

1. 周跳探测与修复

本文比较分析了几种常见的周跳探测与修复方法[5-8]，选取了多普勒模型进行周跳的探测与修复。

多普勒观测量十分稳定，它反映了载波相位的瞬时变化率，但不容易受载波相位影响，因此可利用多普勒观测值来进行周跳的探测与修复。

利用多普勒值探测周跳的模型[8]为

式中，Bk为第k历元的载波相位观测值；Dk为第k历元的多普勒观测值；dt为第k-1历元与第k历元之间的时间间隔；ΔN3为多普勒检验量。

2. 电离层延迟

对于双频数据，常使用双频伪距或载波相位求电离层延迟。但是，利用伪距观测值求得的电离层延迟精度较差；利用载波相位观测值求电离层延迟时，会遇到周跳的探测与修复、整周模糊度的确定等问题[9]。

为提高电离层延迟改正精度，同时避免整周模糊度的求解问题，可采用载波相位平滑后的伪距来作为伪距观测值，求解电离层延迟。求得平滑过的伪距差P1-P2后，即可得电离层延迟为[10]

3. 电离层延迟变化率

电离层延迟变化率用来监测载波B1、B2上电离层延迟随时间的突然变化。其计算公式为

电离层延迟变化率与电离层变化有关，也与卫星的运动有关，不过由于卫星轨道高度较大，卫星运动变化相对比较缓慢，电离层延迟变化率主要由电离层状态决定；在绝大多数情况下，电离层变化缓慢，其变化率也非常小。一般认为，当电离层延迟率大于4 m/min时，该处存在周跳。

4. 多路径效应

通过双频伪距观测值P1、P2，载波相位观测值B1、B2，可建立一个分析多路径效应的模型，从中可求得多路径误差指数MP1、MP2，探索多路径误差的变化规律。

联合伪距观测方程及载波相位观测方程，可得[2]

(4)

(5)

其中

式(4)、式(5)中，P1、P2为伪距观测值；B1、B2为载波相位观测值；M1、M2为伪距多路径效应；m1、m2为载波相位多路径效应；n1、n2为整周模糊度；f1、f2为信号频率；λ1、λ2为载波波长。

观测数据无周跳时，L1、L2为常量, 此时m1、m2远小于M1、M2，MP1、MP2主要由伪距多路径效应决定，可反映多路径效应的影响变化程度。当观测数据中含有周跳时，首先需要进行周跳的探测与修复。

通常认为多路径效应以5～10 min为周期发生规律变化[4]。本文假定多路径效应的变化周期为5 min，依次计算最近5 min MP1、MP2的平均值，然后在MP1、MP2中去掉该平均值，计算得到的值作为多路径效应波动的结果输出。

三、实例分析

为验证质量检查算法的有效性和可靠性，本文选取了北斗观测数据进行了实例分析。观测日期为2012年3月5日，开始时间为01∶06∶25，结束时间为10∶22∶28，观测时长9.268 h，采样间隔为1 s，理论观测数据量为33 363个。

图2为当天观测时间段北斗卫星的可观测历元状况。

图2 北斗卫星观测历元统计图

由图2可知，观测历元在2 h附近有时长为半个小时的间断，表明在这段时间内，接收机没有接收卫星观测数据。实际观测数据量为30 158个，数据利用率为90.4%。

本文采用笔者编写的质量检查程序，对北斗6号卫星进行质量检查。

采用多普勒模型对观测数据进行周跳的探测与修复。图3—图6分别为修复1周以上的周跳前后北斗6号卫星B1、B2多普勒检验量ΔN3变化图。检验量阈值取为1。

图3 B1上检验量ΔN3变化图

图4 B2上检验量ΔN3变化图

图5 修复周跳后B1上检验量ΔN3变化图

图6 修复周跳后B2上检验量ΔN3变化图

采用多普勒模型得到当天观测数据周跳数为19，周跳比o/slps =1587。

北斗6号卫星信噪比、电离层影响及多路径效应等方面的结果如图7—图12所示。

图7 北斗6号卫星B1信噪比sn1

图8 北斗6号卫星B2信噪比sn2

图9 北斗6号卫星电离层延迟ion

图10 北斗6号卫星电离层延迟变化率iod

图11 北斗6号卫星多路径MP1

图12 北斗6号卫星多路径MP2

由图7、图8可知，B1、B2载波观测值的信噪比在30～60之间，说明信号良好，电离层活动较为稳定。随着卫星高度角的减小，卫星信噪比逐渐减小。

由图9可知，随着卫星高度角减小，电离层延迟ion逐渐增大，说明卫星高度角减小时电离层影响逐渐增大，ion最大取到了11 m。

由图10可知，电离层延迟变化率iod非常小，绝大多数在2 m/min以内，说明电离层状态变化稳定，当卫星高度角减小时，iod有了比较明显的增大，说明电离层影响在增大。

由图11、图12可知，MP1、MP2很小，大多数在0.5 m以内，说明多路径效应比较小，接收机及周边采集环境抗多路径能力较强；但随着卫星高度角的减小，多路径效应有逐渐加剧的趋势。

表1对北斗6号卫星各个高度角范围内的质量检查结果进行了统计。

四、结束语

本文对观测数据质量检查的内容及实现方法进行了讨论，并着重对周跳探测与修复、电离层影响、多路径效应等质量检查内容进行了算法研究。本文利用笔者编写的质量检查程序，对实测的北斗观测数据进行了质量检查，得到了数据利用率、卫星信号信噪比、接收机周跳、电离层延迟，以及多路径影响等方面的信息。质量检查的结果表明，随着卫星高度角的减小，卫星信噪比降低，电离层延迟和电离层延迟变化率变大，说明电离层影响逐渐增大，多路径影响也逐渐加剧。利用本文所述的质量检查方法，可以分析北斗观测数据的质量情况，了解测站周围的环境状况及仪器的稳定性。随着北斗卫星导航系统的建设与发展，本方法可在北斗观测数据质量检查工作中得到进一步的应用。

表1 北斗6号卫星质量检查结果统计

参考文献：

[1] 李征航, 黄劲松. GPS 测量与数据处理[M]. 武汉：武汉大学出版社, 2005: 38-39.

[2] ESTEY L H, MEERTENS C M. TEQC: The Multi-purpose Toolkit for GPS/GLONASS Data[J]. GPS Solutions,1999，3(1)：42-49.

[3] TEQC. The Toolkit for GPS/GLONASS/Galileo/SBAS Data[EB/OL].[2013-02-03].http:∥facility.unavco.org/software/teqc/teqc.html.

[4] 范士杰, 郭际明, 彭秀英. TEQC 在 GPS 数据预处理中的应用与分析[J]. 测绘信息与工程, 2004, 29(2): 33-35.

[5] 原波, 白征东, 付春浩. 一种基于多项式拟合法的新的单频周跳探测方法[J]. 工程勘察, 2011, 39(12): 63-66.

[6] 王仁谦, 朱建军. 利用双频载波相位观测值求差的方法探测与修复周跳[J]. 测绘通报, 2004(6): 9-11.

[7] 张成军, 许其凤, 李作虎. 对伪距/相位组合量探测与修复周跳算法的改进[J]. 测绘学报, 2009, 38(5): 402-407.

[8] 常志巧, 郝金明, 李俊义. 利用多普勒观测检测周跳和粗差[J]. 测绘通报, 2008(3): 28-30.

[9] 王虎. GPS 精密单点定位中电离层延迟改正模型的研究与分析[D]. 长沙: 中南大学, 2008: 25-26.

[10] HOFMANN-WELLENHOF B, LICHTENEGGER H, WASLE E. Global Navigation Satellite Systems-GPS, GLONASS, Galileo, & More[M]. New York: Springer-Verlag Wien, 2008: 113-116.