北鬥三號觀測數據質量分析

北鬥三號觀測數據質量分析

尹志豪1，王廣興1，胡志剛2，薄亞東1

（1.中國地質大學（武漢）地理與信息工程學院，武漢 430078；

2.武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，武漢 430079）

摘要：2020年底北鬥三號衛星導航系統將全面建設完成，北鬥三號沿用了B1I和B3I兩個信號，並新增B1C和B2a兩個新民用信號。為分析各個信號的觀測數據質量，本文選取6個境外iGMAS連續跟蹤站15天的數據對北鬥三號的觀測數據質量進行分析，從信噪比、偽距多路徑、數據完整率、數據飽滿度和數據連續性等五個方面綜合對比了北鬥二號和北鬥三號新舊信號的數據質量，並將北鬥三號與GPS和Galileo在兼容互操作頻點進行對比。結果表明，北鬥三號的信噪比優於北鬥二號，在兼容互操作頻點上也比GPS和Galileo高1~2dB-Hz；北鬥三號B1C的偽距多路徑誤差比GPS大10cm左右；北鬥三號的數據完整率要比Galileo高，略低於GPS；在數據飽滿度和連續性方面，北鬥三號優於GPS和Galileo。

1 觀測數據質量指標

本文從信噪比、偽距多路徑、數據完整率、數據飽滿度以及數據連續性等五個方面對北鬥三號觀測數據質量進行分析，本節內容將介紹各分析指標的計算方式以及含義。

1.1 信噪比

信噪比(SNR)是載波信號強度和噪聲強度的比值，一般用來衡量信號強度大小，是載波相位觀測值的質量指標之一，單位為dB-Hz。信噪比數值越大，表明觀測數據質量越好，觀測數據文件中會記錄下當前曆元每顆衛星的信噪比數值。

1.2 偽距多路徑

在雙頻觀測值可用的情況下，可以採用載波與偽距的組合觀測值來反映多路徑誤差。進行觀測值組合分析時，一般選取頻率相差較大的兩個頻點數據進行組合，否則會放大觀測噪聲，無法正確反映多路徑效應。以B1I和B3I頻點觀測值為例，偽距多路徑組合觀測值的計算公式可以表達為

式中，

和

分別為偽距和載波相位觀測值，

和

分別為觀測值頻率和波長，下標1和3分別代表B1I和B3I頻點。

該組合消除了衛星和接收機之間的幾何距離、對流層延遲和電離層延遲的一階項影響，主要包含偽距觀測值上的多路徑效應。上述組合包含有模糊度參數，在數據不發生周跳的情況下，可以直接進行多曆元取平均的方法來消除模糊度參數，在發生周跳時，需要通過分段取平均再減去平均值的方法消去模糊度參數。本文試驗採用M-W組合進行周跳探測，在發生周跳處進行分段，以此來計算出每顆衛星每一曆元的多路徑誤差。

1.3 數據完整率

在指定截止高度角後，在當前測站利用廣播星曆計算的可見衛星的接收觀測值個數為應接收的理論數據；而實際接收數據按接收機的實際個數統計。該指標可以描述接收機在不同截止高度角範圍內的信號跟蹤情況。

完整率為某顆衛星某一頻點實際接收數據與應接收的理論數據的百分比，可以用如下公式進行計算

式中，

和

分別表示衛星號和頻點號，

和

分別為實際接收的數據量和理論上應該接收的數據量。

1.4 數據飽滿度

接收機接收不同頻率、不同類型的觀測值，理論上各頻率載波和偽距觀測值數量應相等，實際中由於某類型觀測值部分缺失導致不同類型觀測值數量不等的情況時有發生。飽滿度就是統計單顆衛星不同數據類型中，最小數據量與最大數據量之比，比值越大，表明該衛星不同類型的數據越飽滿。飽滿度一般以百分數形式表示，計算公式可以表達為

式中，

表示衛星號，

為向量，向量中各元素為第

號衛星各觀測值類型的數據量，

和

分別為取最小值和最大值函數。本文中的試驗數據類型僅考慮了偽距觀測值和載波相位觀測值。

1.5 數據連續性

GNSS通過導航衛星播發信號為用戶提供服務，其系統持續為衛星導航用戶提供服務的能力稱為導航系統的連續性（Continuity）。作為評價GNSS性能的重要指標之一，系統的連續性與單顆衛星觀測數據的連續性密切相關。觀測數據的連續性可以用指定時間段內連續採集到數據的比率來衡量，通常採用實時滑動窗口計算衛星觀測數據的連續性。

假設測試時間段為

，用戶設置的數據採樣間隔為

，則連續性指標的計算公式為

式中，

為滑動時間窗口的長度，若第

號衛星第

頻點在

時刻的觀測值

存在，則

函數返回值1，否則返回 0。數據連續性通常也以百分數形式表示。

2 實驗結果分析

本文試驗分析主要從以下四個角度進行：(1)北鬥三號不同MEO衛星觀測數據對比分析；(2)對比分析北鬥二號衛星和北鬥三號衛星播發的B1I和B3I信號；(3)分析北鬥三號新增信號B1C和B2a與北鬥二號信號的差異；(4)北鬥三號與其他系統兼容互操作頻點觀測數據之間的對比分析。

本文選取6個iGMAS連續跟蹤站2019年年積日（Day of Year, DOY）第180至194天（6月29日至7月13日）的15天觀測數據進行分析，每個跟蹤站的數據採樣間隔為30s。

2.1 信噪比分析

圖1是信噪比與衛星高度角的關係圖。從中可以看出，高度角相同時，三顆MEO衛星的4個頻點信噪比相對大小關係是一致的，B1I頻點的信噪比最大，B1C和B3I次之，B2a頻點信噪比最小，和B1I相差5dB-Hz左右。這一方面說明，同一測站北鬥三號衛星不同頻率的信號強度是不同的，另一方面也說明北鬥三號不同的MEO衛星之間播發信號的性能是一致的，體現了北鬥三號在各衛星建設中的一致性和統一性。

圖1 BRCH測站C22、C25和C35衛星各頻點信噪比隨高度角變化情況

圖2是北鬥二號衛星C11和北鬥三號衛星C28的B1I和B3I頻點信噪比隨高度角變化情況，從圖中可以看出北鬥三號的B1I和B3I信號強度較北鬥二號有一定的提高，其中B1I信噪比大約提升3dB-Hz，B3I信號提升1dB-Hz左右。

圖2 ZHON測站C11和C28衛星B1I和B3I頻點信噪比隨高度角變化情況

圖3是北鬥三號兩個兼容互操作頻點與GPS的L1、L5C和Galileo的E1、E5a信噪比對比，從圖中可以看出，北鬥三號B1C頻點信號強度相較於GPS和Galileo系統分別有4dB-Hz 和2dB-Hz左右的提升，B2a頻點信號強度優於Galileo系統1dB-Hz左右，低於GPS系統2dB-Hz左右。

圖3 KNDY測站兼容互操作頻點信噪比隨高度角變化情況對比

2.2 偽距多路徑分析

統計了6個iGMAS連續跟蹤站的偽距多路徑誤差RMS值(如圖4)，BRCH測站由於L5頻點偽距觀測值異常，所以沒有統計偽距多路徑數值。不同測站間的多路徑誤差由於觀測條件和接收機的不同而有所差異，但是在同一個測站內，各個系統間的偽距多路徑誤差相對大小關係一致。同一測站北鬥三號衛星中B1I、B3I和B2a的偽距多路徑誤差RMS相差1-5cm，但是B1C頻點的偽距多路徑誤差RMS值很大，比其他三個頻點普遍高出10cm以上；北鬥二號衛星B3I的偽距多路徑誤差RMS值比B1I要小8cm左右；北鬥三號衛星的B1I和B3I偽距多路徑誤差RMS值比北鬥二號衛星要小，說明了同一頻率信號在不同衛星上可能具有不同的質量表現；北鬥三號的B1C偽距多路徑誤差RMS值比GPS的L1和Galileo的E1偽距多路徑誤差RMS值要大，B2a偽距多路徑誤差RMS值大於Galileo的E5a，小於GPS的L5C，可以看出，在兼容互操作頻點的偽距多路徑誤差方面，北鬥三號系統還有待加強。

圖4每個測站的每一頻點MP的RMS統計

2.3 數據完整率分析

為了更全面地體現出北鬥系統的數據完整率，在計算完整率時，將截止高度角設置為0°，即不考慮因為高度角而捨棄的觀測值，直接統計接收機接收到的所有觀測值。得到6個跟蹤站在15天內各個頻點的數據完整率，如表1所示。

表1 各個測站頻點的數據完整率統計（單位：%）

可以看出，在本文選取的6個測站中，除了DWIN和PETH測站以外，北鬥三號衛星的數據完整率均在97%以上，GPS衛星的L1頻點數據完整率均在98%以上，L5C頻點數據完整率在BRCH測站僅有41.67%，其餘5個測站均在96%以上；Galileo衛星的E1頻點數據完整率均在91%以上，E5a頻點數據完整率除了ZHON站也都在92%以上；從6個測站的平均值來看，北鬥三號的B1I和B3I頻點數據完整率略優於北鬥二號，北鬥三號B1C和B2a頻點數據完整率比B1I和B3I頻點低1-3%左右，其中B1C頻點最低，為93.23%；兼容互操作頻點方面，B1C的數據完整率不如L1和E1，B2a的數據完整率優於L5C，與E5a相當。

2.4 數據飽滿度分析

數據飽滿度考慮的是各個頻點之間觀測值類型數目的大小關係，因而，每顆衛星只有一個飽滿度，不區分頻點。從圖5中可以看出，在本次試驗的6個測站中有3個測站（BRCH、CANB、PETH）北鬥系統的數據飽滿度比GPS系統高，其餘三個測站北鬥系統的數據飽滿度比GPS低2%左右，其中PETH測站北鬥二號的數據飽滿度達到了99.08%；除了PETH和ZHON測站以外，Galileo系統的數據飽滿度比北鬥系統要大5%左右；從6個測站的平均值來看，北鬥二號和北鬥三號數據飽滿度接近，均在95%以上，Galileo系統為94.60%，GPS系統為93.70%。產生這種結果的原因可能是因為北鬥系統多頻點的優勢，北鬥系統是全星座播發三頻信號，北鬥三號衛星還會播發更多頻點的信號，Galileo衛星和GPS衛星播發的頻點信號較少，其中GPS系統在Block IIF衛星這代衛星之前只播發雙頻信號。

圖5 測站飽滿度統計圖

2.5 數據連續性分析

由於連續性計算方法特殊，選擇的滑動時間窗口越小，數據採樣率越小，計算所需要的時間越長。本次試驗以CANB測站為例，依據衛星發射時間和衛星運行狀態選取C38、C16、G24和E19號衛星分別作為北鬥系統、GPS和Galileo的代表衛星。考慮到數據處理的耗時，試驗選擇的滑動時間窗口為2小時，數據採樣率為5分鐘，各顆衛星各個頻點在15天內的數據連續性如表2所示，圖6是各個頻點在15天內的連續性均值。

表2 CANB測站G24、E19、C16和C38衛星數據連續性（單位：%）

圖6 各頻點15天數據連續性均值

從圖表中可以看出，北鬥系統連續性最好，均值在68%以上，其次是GPS系統，Galileo系統最差。從連續性的穩定性來說，北鬥系統要優於GPS和Galileo系統，每個頻點在這15天內的數據連續性變化幅度不大；Galileo系統在年積日第189天數據連續性由48%和21%突變到1%，然後又恢復正常，在年積日第182、186和192天，Galileo系統E5a的數據連續性也只有不到15%。由此可見，北鬥系統數據連續性的穩定性優於GPS和Galileo系統，其中Galileo系統的穩定性最差。北鬥二號和北鬥三號系統中B3I頻點的數據連續性都是最高的，分別為74.21%和78.47%，北鬥三號四個頻點中，B1C頻點數據連續性最低，為68.11%，其次是B1I頻點的68.18%和B2a頻點的69.02%。由此可見，北鬥系統內，B3I頻點數據連續性最好，新增的兩個民用信號B1C和B2a還有待加強，也可能是因為目前的接收機對新信號追蹤捕獲不敏感。

3 結束語

本文通過選取iGMAS國外6個連續跟蹤站15天的實測數據，從信噪比、偽距多路徑、數據完整率、數據飽滿度以及數據連續性等五個方面來分析北鬥二號和北鬥三號系統的觀測數據質量，尤其是北鬥三號的B1C和B2a頻點，並與GPS系統的L1、L5C頻點和Galileo系統的E1、E5a頻點進行對比，結果表明：

(1)與北鬥二號區域導航系統相比，北鬥三號的信噪比均有提高，其中B1I和B3I信號提高了2~4dB-Hz；在與GPS和Galileo兼容互操作的頻點上，北鬥三號的B1C信噪比要比其他系統高2~4dB-Hz，B2a信噪比高於Galileo系統1dB-Hz左右，低於GPS系統2dB-Hz左右。

(2)北鬥三號B1C頻點的偽距多路徑誤差RMS值最大，比其他三個頻點平均高出10cm左右；北鬥三號的B1I和B3I頻點偽距多路徑誤差相比於北鬥二號有5-20cm的提高；在北鬥二號和北鬥三號系統中，B3I頻點的偽距多路徑誤差都是最小的；B1C頻點偽距多路徑誤差比GPS的L1頻點大10cm左右，B2a頻點偽距多路徑誤差比Galileo的E5a頻點偽距多路徑誤差大1~9cm左右，表明北鬥三號在兼容互操作頻點的偽距多路徑誤差方面還有提升空間。並且北鬥系統中的某些衛星(例如：C08、C14)在高度角增大時，偽距多路徑誤差會向負偏移。

(3)數據完整率、數據飽滿度和數據連續性這三個分析指標指出，北鬥系統觀測數據的總體質量是優於GPS和Galileo系統的。數據完整率方面，北鬥三號的B1C頻點表現最差，只有93%，其餘頻點的數據完整率均在95%以上；數據飽滿度方面，北鬥二號和北鬥三號差距不大，二者均在95%以上，略高於GPS的93%和Galileo的94%；數據連續性方面，北鬥三號的B3I頻點表現最好，達到了78.47%，B1C頻點最低，為68.11%，北鬥三號的B3I比北鬥二號的B3I高4%左右，北鬥三號的B1I比北鬥二號的B1I低3%左右，同時，北鬥系統整體的數據連續性均優於GPS和Galileo系統。

綜上所述，北鬥三號系統衛星觀測值質量與GPS相當，甚至優於GPS。隨著北鬥三號系統建設和發展，能夠在全球範圍內接收到更多北鬥三號觀測數據，值得進一步分析和研究，以便為終端設計改進和數據處理提供參考。

參考文獻（略）

引用格式：尹志豪,王廣興,胡志剛,薄亞東.北鬥三號觀測數據質量分析[J].測繪科學,2020,45(06):37-45.

作者簡介：尹志豪（1996-），男（漢族），湖北鄂州人，碩士研究生，主要研究方向為GNSS精密定位。E-mail：[e-mail]

通訊作者：王廣興 碩士生導師，E-mail: [e-mail]

團隊介紹：

作者所在團隊依託中國地質大學（武漢）地理與信息工程學院智能信息處理與泛在測繪研究中心，積極與武漢大學、山東科技大學等單位開展合作，圍繞北鬥系統建設和推廣應用過程中的關鍵問題進行深入研究，並參與了多項數據質量分析相關項目，在北鬥多頻數據質量分析、定位測速評估、服務性能實時監測、智慧型手機北鬥定位等方面積累了較為豐富的研發經驗。目前，團隊已登記軟體著作權兩項，分別是多GNSS觀測數據質量分析軟體[簡稱：MGOQA]V1.0和多GNSS觀測數據差分及星曆連續性分析軟體[簡稱：MGODECA]V1.0。

多GNSS觀測數據質量分析軟體主要功能包括信噪比（Signal-to-noise Ratio, SNR）、精度衰減因子（Dilution of Precision, DOP）、幾何無關組合、M-W組合、多路徑組合等時間序列分析和空間特性分析，偽距、相位和都卜勒觀測值的曆元間差分分析，以及周跳探測及標記等，並能根據用戶需求進行數據連續性、數據有效率、數據可用率、數據飽滿度和數據完整性等指標的綜合統計分析。本論文結果均通過該軟體分析得到。

多GNSS觀測數據差分及星曆連續性分析軟體主要功能包括觀測數據差分和廣播星曆連續性分析兩大功能。數據差分支持星間差分、站間差分和站星間雙差三種模式。與一般軟體相比，本軟體支持具體某顆衛星或者某兩顆衛星的某一頻點差分，並且能夠同時對偽距、載波相位和都卜勒三種觀測值進行差分，得到的結果更加明確。廣播星曆連續性分析功能可以幫助用戶分析使用的廣播星曆的正確性以及連續性。

現有軟體均兼容RINEX(Receiver Independent Exchange)2.x和3.x數據格式，並支持最新的RINEX 3.04格式，能夠同時處理BDS、GPS、Galileo和GLONASS四大衛星導航系統的觀測數據，能夠處理北鬥二號各頻點和北鬥三號新增B1C、B2a頻點數據，並具有較強的可擴展性。軟體交互方便，自動化程度高，可以通過控制文件進行參數設置，既能滿足專業用戶高精度數據處理的個性化分析需求，又可為普通用戶批量生成數據分析結果，實現問題數據的快速定位。軟體支持Windows系統和Linux系統跨平臺運行，模塊可移植性強，易於維護和升級。

軟體核心功能模塊已實現連續業務化運行，效率和穩定性較高，分析結果為北鬥系統快速建設和信號設計改進提供重要參考和支撐。此外，本軟體在GNSS高精度數據處理、GNSS接收終端設計製造和質量檢定等領域和部門也有較為廣闊的應用前景。