卫星导航数据质量分析

尹子明,孟凡玉,陈明剑,闫建巧,汪威

(解放军信息工程大学导航与空天目标工程学院,郑州 450001)



卫星导航数据质量分析

尹子明,孟凡玉,陈明剑,闫建巧,汪威

(解放军信息工程大学导航与空天目标工程学院,郑州 450001)

摘要：在实际应用中,卫星导航观测数据难免会受到各种不确定环境因素以及系统各因素的影响。数据质量的好坏将直接影响数据分析结果,进而影响最终的导航、定位结果,因此有必要对数据的质量进行全面的掌握。本文对北斗以及GPS卫星导航数据质量进行了研究,提出了质量分析综合评估指标,对这些指标进行了详细阐述,并对iGMAS的数据质量进行了分析,从分析结果中可以看出其数据质量满足iGMAS各项任务的需求。

关键词：质量分析;评估指标;信噪比;多路径;几何强度

0引言

我国独立研发的北斗卫星导航系统是GPS、GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。由于社会需求的不断增长和卫星导航系统的发展,卫星导航系统应用于交通、农业、地理信息等越来越多的领域。在实际应用中,观测数据难免会受到多种因素的影响,包括信号传播环境的不确定性、卫星以及用户设备的运行故障、操作人员不规范等因素。虽然,TEQC、BNC等软件提出了一些质量评价指标可以对卫星导航数据质量进行分析,但目前在理论上仍缺少一个全面的、统一的卫星导航数据质量评估方法,这使得很多数据质量评价工作效率不高,且通用性不强[1]。

本文对卫星导航数据质量进行了研究,提出了卫星导航数据质量综合评估指标,对这些指标的理论与计算进行了阐述,并对BDS的数据质量进行了分析。

1数据质量综合评估指标

卫星导航数据质量反映出数据对导航、定位、授时等特定应用的满足程度。同样的一组卫星导航数据,对于不同的应用需求、不同的用户,对于数

据的要求也是不同的。通过研究卫星导航数据的特点以及多项应用对于导航系统的要求,本文将评价体系划分为如图1所示的各项指标。

图1　卫星导航数据质量综合评估

1.1合用性指标

合用性指标是用来衡量当前的卫星导航数据对于该应用需要的满足程度,包括时效性、关联性、可达性等指标[1-2]。

时效性是用来考察卫星导航数据的时间特性对该应用的满足程度[1]。不同类型的应用对数据的要求也不尽相同。授时等应用一般需要实时数据,对于定轨等应用还需要历史数据。时效性的计算方法为

(1)

式中: T为时效性; UO为卫星导航数据集中所有未失效的数据个数; AO为所提供的所有卫星导航数据总数。

关联性是表示卫星导航数据的内容与应用的相符程度[2]。关联性的计算方法为

(2)

式中: R为关联性; UOT为观测文件中已有观测值类型当中的需求观测值类型数; DOT为应用或用户需求的观测值类型总数。

可达性是用来衡量卫星导航数据量的大小对该应用的满足程度。可达性的计算方法为

(3)

式中: Re为可达性; UO为能够提供的有效的卫星导航数据总量; DO为该应用所要求的卫星导航数据总量[2]。卫星导航数据量为各个卫星各个历元的需求的观测值类型的数据记录的总和。

1.2正确性指标

正确性指标可以反应卫星导航数据观测、记录、保存的完好程度,包含完整性、连续性等[1]。

完整性是衡量卫星导航数据观测、记录、保存的丢失程度。它受到观测环境、接收机性能以及卫星运行情况等因素的共同影响,可以表示为

(4)

式中: DI为完整性; CO为实际有效观测数目; PO为理论观测数目。有效观测值是指在一个历元中某颗卫星应具有全部观测类型的数据观测值,同时,所有要求频点的信噪比和卫星高度角都必须大于或等于相应的阈值。

连续性是表示卫星导航数据连续准确记录的情况。连续性的计算方法为

(5)

式中: CON为连续性; UP为有效数据数目; AbP为数据异常点数表示。

1.3测量精度指标

测量精度指标是用来衡量接收观测值精度的,而观测值的精度受多方面因素的影响,例如观测站周围的环境、接收机本身的性能、观测卫星的高度角等。测量精度指标包括:伪距多路径、信噪比、周跳比、相位观测噪声等[3-4]。

信噪比SNR可用来衡量测距信号质量的优劣,主要受到天线增益、接收机噪声多径效应影响,间接反映了载波相位的测距精度。通常使用信噪比来表示GNSS观测数据质量的好坏,信噪比越高,GNSS观测数据质量越好。

伪距多路径反映天线周围各种反射物体对信号造成的附加有不同时延量的反射信号的叠加影响,它受到天线周围环境、卫星高度角等因素的影响。多路径效应不仅具有一定周期性,而且具有随机噪声的一些特征,因此无法将其与噪声完全分开。多路径效应对伪距测量的影响比对载波的影响明显要大得多,在剔除周跳和模糊度固定后,可以用载波来替代站星距离,因此伪距多路径效应可以用伪距、载波相位观测值和整周模糊度来表示[5]:

(6)

(7)

式中: MP1、MP2表示频点L1伪距和频点L2伪距的多路径效应; P1、P2表示伪距； φ1、φ2表示载波相位; N1、N2代表两个组合中的模糊度; f1、f2为载波的频率。

周跳比用来衡量观测值中整周计数的跳变或中断的情况,可以表示为观测值总数/周跳数。周跳不仅影响当前历元的观测值,还对后续的历元一直有影响。伪距和多普勒观测值都不会受到载波周跳的影响,可以用多路径的跳变或电离层跳变来探测周跳;也可以用多普勒、伪距或其组合来探测周跳。

相位观测值噪声主要反映接收的载波锁相环的跟踪精度。接收机比卫星的时频稳定度要低几个数量级导致接收机出现较为明显的相位观测值噪声[6]。

1.4观测值几何强度

卫星导航定位系统对于确定用户位置、速度等结果的精度不仅取决于伪距、载波、多普勒等测值的好坏,还与卫星数目、用户和卫星相对位置相关。几何精度因子(GDOP)表明了定位误差与测距误差之间的联系,反映了卫星数目、接收机与观测卫星之间的相对几何关系对导航定位结果的影响。GDOP能够很好地说明观测卫星几何配置的优劣程度。

GDOP参数包括:位置精度因子(PDOP)、水平位置精度因子(HDOP)、垂直位置精度因子(HDOP)和时间偏差因子(TDOP),反映了卫星到用户的距离误差与导航定位结果之间的直接联系。由于这些GDOP项是由协方差得到的,所以相互之间并不是相互独立的。

从接收机到卫星的单位矢量所组成的多面体的体积与GDOP成反比,假设用户近似三维位置为(xu,yu,zu),卫星的近似三维位置为(xs,ys,zs),则矩阵H的条件数表示了位置或时间误差的放大倍数,称该条件数为几何精度因子[7]。

(8)

则几何精度因子GDOP为

(9)

(10)

2实例分析

选取一组实测数据采用上述评估指标进行分析,本文只在正确性和和测量精度方面对数据进行质量评估。数据选取国际全球卫星导航系统监测和评估服务(iGMAS)中BJF1测站时间为2015年4月26日0:00-8:00,采样率为1s的数据。

iGMAS主要任务是对北斗卫星导航系统运行状况和主要性能指标进行监测和评估,生成高精度精密星历和卫星钟差、地球定向参数、跟踪站坐标和速率、全球电离层延迟等产品,该任务需求:采样间隔为1s的连续观测数据;包含三个频点的伪距、载波、多普勒、信噪比四种观测数据类型;截止高度角为10°.

2.1合用性评估

用样例数据来完成分析当时系统的运行状况等任务,显然满足时效性要求,其时效性为100%;数据包含C2I、L2I、D2I、S2I、C7I、L7I、D7I、S7I、C6I、L6I、D6I、S6I十二种观测类型，显然满足相关性要求,相关性为100%.

表1　BDS各个卫星的可达性

BDS各个卫星的理论数据个数和实际数据个数如表1所示,其可达性为99.65%,数据记录几乎未丢失。数据量完全能够满足iGMAS对数据量的需求。数据可达性和数据完整性是从数据的不同方面反应数据质量的,存在一定联系,互相影响。一般情况下,数据可达性和数据完整性具有一致性,但数据总量较低时,在观测时间段内的数据完整性也可能较高。

2.2正确性评估

BDS各个卫星理论观测数目和实际观测数目如表2所示,BDS的数据完整性为99.63%,而GPS的数据完整性为84.25%.其中BDS各个卫星的数据完整性均大于99%,数据的连续性比较好; G16和G26由于大量数据丢失或记录数据不完整导致数据完整性很差,GPS剔除G16和G26后的数据完整性为95.17%.因为有多余观测卫星的存在,数据完整性差的数据的数据质量不一定差。

其中G16和G26可能是由于障碍物遮挡、电磁干扰、卫星本身故障等原因导致信号失锁,也可能由于接收机内部问题或者是通信崩溃,影响到部分卫星的数据完整性。还有接收机短暂关闭后又开启等因素也会影响数据完整性。

表2　BDS和GPS各个卫星的正确性

2.3测量精度评估

图2为BDS C03卫星SNR1和SNR2随卫星高度角的变化图。其中,C03是GEO卫星,由于受到摄动力的影响,卫星高度角在小角度内浮动;B1、B2两个频点上的信噪比始终在45到49 dBHz之间,并且载波B2比B1的信号强度大。

图3为BDS C10卫星SNR1和SNR2随卫星高度角的变化图。IGSO卫星为区域服务卫星,大“8”字形轨道引起的卫星高度角升降变化较小。从总体上看,信噪比与卫星高度角呈正相关的关系,同样载波B2比B1的信号强度大[3]。信噪比在较短时间内变化不大,一般不会出现较大跳变。

图2　BDS C03信噪比随卫星高度角的变化

图3　BDS C10信噪比随卫星高度角的变化

图4和图5为GPS G14卫星的伪距多路径随卫星高度角变化的情况。图6和图7为BDS C10卫星的伪距多路径随卫星高度角变化的情况。GPS和BDS卫星P2伪距多路径要略小于P1的伪距多路径。从图可知,GPS与BDS卫星的伪距多路径分布规律基本相同,而且二者数值上也十分相近,都体现出了伪距多路径的随机特性。

图4　GPS G14 P1伪距多路径效应

图5　GPS G14 P2伪距多路径效应

图6　BDS C10 P1伪距多路径效应

图7　BDS C10 P2伪距多路径效应

2.4观测值几何强度评估

GDOP一般是通过卫星和接收机的概略位置计算得到的,可观测卫星数越多,GDOP越小,越有利于定位结果。但是,接收机到卫星的单位矢量所组成的多面体的体积决定GDOP的大小,因此在可见观测卫星数量较少的情况下,定位精度也可能较高[7]。图8为观测时间段内BDS和GPSDOP值曲线图。BDS和GPS的各项DOP都比较接近,均能满足对各自卫星导航系统运行状况和主要性能指标进行监测和评估,生成高精度精密星历和卫星钟差等产品的任务需求,且GPS略优于BDS.

图8　BDS和GPS DOP值

3结束语

通过对iGMAS中BJF1测站的数据进行质量评估,其数据质量显然满足iGMAS各项任务的需求;不同的任务对各项指标的要求不同,例如iGMAS要求所有卫星的数据完整性均大于某一阈值,而对于CORS系统、基线测量等则在有多余观测的情况下部分卫星的数据完整性可以较差;BDS 与GPS的MEO卫星的多路径效应都随高度角减小而增大,BDS 的GEO卫星有着自己的特点。

本文通过研究卫星导航数据质量评估方法的问题,从数据的多维度属性出发,考查数据在各维度的质量表现,能够全面反映观测数据质量,具有通用性;但对质量评估的各项指标没有进行定权综合处理,没有得出一个综合的数据质量评价数值。

参考文献

[1]杨筱.卫星导航系统数据与信号质量评估技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2009.

[2]黄刚,袁满,吴秀英,等.元数据驱动的数据质量评估体系架构研究[J].计算机工程与应用,2013,49(8):114-119.

[3]张小红,丁乐乐.北斗二代观测值质量分析及随机模型精化[J].武汉大学学报·信息科学版,2013(7):832-836.

[4]伍岳,罗和平,邱蕾.L5载波的信号质量分析[J].测绘工程,2014(12):9-12.

[5]谭羽安,袁本银,鲍志雄.GPS/BD/GLONASS 多星座质量检核研究与实现[C].//第五届中国卫星导航学术年会,2014.

[6]董喜艳.导航系统中相位噪声模型建立与分析[D].成都:成都电子科技大学,2012.

[7]廖春招.GPS卫星坐标计算及几何精度因子[J].矿山测量,2011(8):29-31.

尹子明(1990-),男,硕士生,研究方向为基于CORS的BDS数据质量分析。

孟凡玉(1971-),男,教授,研究方向为地基增强系统建设。

陈明剑(1976-),男,副教授,研究方向为地基增强系统建设及其应用。

闫建巧(1989-),女,硕士生,研究方向为基于CORS的精密单点定位。

汪威(1990-),男,硕士生,研究方向为地基增强系统差分改正数。

Quality Analysis of Satellite Observation

YIN Ziming,MENG Fanyu,CHEN Mingjian,YAN Jianqiao,WANG Wei

(CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,PLAInformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract:In practical application, the satellite observation is inevitably influenced by many accidental factors. The quality of observation directly affects the results of data analysis, and then affects the final navigation and positioning results, so it is necessary to master the quality of the observation. In this article, the quality of satellite observation is studied, the comprehensive evaluation indexes of satellite observation quality is proposed and described. The BDS observation quality is been analyzed, and the data quality meets the requirements of iGMAS various tasks.

Keywords:Quality analysis; evaluation index; SNR; multipath; GDOP

作者简介

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2016)01-0054-06

收稿日期：2015-09-18

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.010

资助项目： 装备预研基金项目(编号：9140A24011314JB52001)

联系人： 尹子明E-mail:yzm_whu@163.com