【科普】BDS、GPS和GALILEO系统CORS站数据质量比较分析研究

来源:技术服务   更新时间:2023-12-27 03:39:29点击次数:19次
针对包括北斗三号卫星导航系统的多系统国家及省级基准站数据质量分析较少的问题,该文基于陕西北斗基准

  针对包括北斗三号卫星导航系统的多系统国家及省级基准站数据质量分析较少的问题,该文基于陕西北斗基准站多系统数据,从数据完整率、信噪比、多路径效应、卫星可见数及三维位置精度因子等指标作对比分析和综合评估,重点对新增频率和不同系统的同频率数据对比分析。根据结果得出,BDS、GPS和GALILEO数据完整率接近,B1C、L1、L5、E1完整率均在99%以上,B2a略低,在97%以上,E5a最低,也均在96%以上,个别站点具有波动性。BDS卫星5个频段信噪比均在42 dB-Hz以上,同一频率BDS与GPS、GALILEO相当。BDS卫星频段中B2b多路径误差最小,高度角超过30°时,B1C与L1接近。BDS卫星可见数远大于GPS、GALILEO,BDS与GPS的PDOP值接近,表现较优。站点综合评估结果与数据质量指标反映的质量情况一致,3个站BDS的B1C小于其他系统同频率综合评价值。

  卫星导航定位连续运行基准站作为空间数据基础设施最重要的组成部分,是现代测绘基准框架的核心内容和主体,也是实现大地基准动态维持的主要保障手段。同时对地壳运动变化、气象状态变化监测等提供了宝贵的地理信息数据。基准站观测数据是基准站网最主要的基本产品,高质量的观测数据是基准站运维的主要目标之一,直接影响基准站系统的服务性能和质量,也是后期数据处理获得可靠结果的保障。

  2020年6月,北斗三号最后一颗全球组网卫星成功发射,至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。2020年7月,北斗三号全球卫星导航系统正式开通全球服务。近年来,随着北斗卫星导航系统的建设,以北斗卫星导航系统为主并兼容其他卫星导航系统,支持多频多系统的卫星导航定位基准站建设和改造工作正如火如荼的开展,但大多数国家及省级基准站无法支持北斗三号卫星导航系统,卫星导航定位基准站及数控中心兼容北斗三号的改造和配套升级工作正在积极地推进。当前,针对全球定位系统(global positioning system,GPS)、格洛纳斯卫星导航系统(Global navigation satellite system,GLONASS)等卫星信号的基准站数据质量分析已取得较丰富的研究成果[5-8],文献[9]基于全球21个MGEX站2019年观测数据对北斗卫星导航系统(Beidou navigation satellite system,BDS)(B1I、B2b、B3I频段)与GPS及伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system,GALILEO)进行了数据质量对比分析。文献[10]选取了6个境外全球连续监测评估系统(International GNSS Monitoring & Assessment System,iGMAS)站2019年观测数据对北斗三号数据质量进行了分析比对。文献[11-12]利用 2018年5月iGMAS站观测数据来进行了质量分析。文献[13]利用8个iGMAS站2020年1月观测数据对BDS-3与BDS-2卫星相同的两个频率信号B1I和B3I进行解算和研究。

  目前,针对包括北斗三号卫星导航系统的多系统国家及省级基准站数据质量分析较少,本文利用陕西北斗基准站多系统数据,从数据完整率、信噪比、多路径效应、卫星可见数及三维位置精度因子等指标作对比分析和综合评估,重点对新增频率和不同系统的同频率数据对比分析,为以北斗为主的多系统基准站的建设、运维和服务等提供参考。

  完整的观测数据是进行基准站数据处理和其他服务的前提,数据完整率反映了基准站数据的完整性,是衡量基准站数据质量的重要指标之一。基准站全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)观测数据完整率应不小于90%。数据完整率与接收机性能、测站环境及卫星性能均有关,完整率越高,数据质量越高,完整率较低时,要有明确的目的性地及时进行排查,确保观测数据符合要求。

  信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)是测站载波信号强度与噪声强度的比值。信噪比是反映载波相位观测数据质量优劣的重要指标,主要受天线增益参数、接收机中相关器的状态和多路径效应等影响,信噪比值越高,噪声强度越小,观测数据质量越好。观测文件中可获取每个历元每颗卫星的信噪比数值,单位为dB-Hz。信噪比应不小于35 dB-Hz。

  多路径效应是由接收机直接收到的卫星信号与周围反射的信号干涉所引起,多路径误差直接反映了基准站的环境质量及接收机性能。目前无较好的多路径模型来消除该项误差,较好的观测环境和扼流圈天线可减少误差。

  多路径误差主要对伪距观测和载波相位观测有影响,伪距观测影响更大,载波相位多路径影响远小于伪距多路径效应的大小,一般不考虑。

  根据定位原理可知,基准站接收机观测的卫星数越多,卫星在空间的几何构型越好,定位精度也会提高。卫星位置精度因子(position dilution of precision,PDOP)是衡量卫星导航定位系统性能的重要指标和参考值之一,能有效的反映卫星定位的可靠性。

  利用数据完整率、伪距多路径、信噪比等多个指标,通过对指标的同趋势化、无量纲化,采用熵值法和TOPSIS法综合评价观测数据质量,综合评价值越小,综合数据质量越好。当数据完整率越大、多路径误差越小、信噪比越大时,观测数据质量越好;当指标同趋势化时,将多路径指标按照取倒数的方法使其极小型的指标值转化为极大型。

  本文根据陕西省地理气候环境,选取了陕西北部黄土高原区(YLEL、YAGQ)、中部关中平原区(XATY)和南部秦巴山区(AKZY)的4个多系统基准站2021年1月1日—1月7日(DOY001—007)连续7天的观测数据计算结果做多元化的分析。每个基准站使用Trimble Alloy接收机、TRM159900.00天线个方面做比较分析:①BDS各频段数据质量比较分析;②BDS、GPS和GALILEO同频段比较分析;③BDS、GPS和GALILEO数据完整率、卫星可见数及PDOP值比较分析;④不同系统同频率数据质量综合评估分析。

  为分析BDS、GPS和GALILEO数据完整率差异情况,计算了4个站点连续7天观测数据不同系统完整率的均值(图1),并作比较分析。4个站点BDS、GPS和GALILEO数据完整率均在97%以上,优于90%,GALILEO最高,BDS次之,GPS最低。为了更好地评估BDS、GPS及GALILEO相同频率信号数据质量,对4个站点连续7天观测数据的B1C/L1/E1、B2a/L5/E5a频段数据完整率进行统计对比,如图2所示。B1C、L1、L5、E1频段完整率均在99%以上,且相对来说比较稳定;B2a次之,在97%~99%,XATY站具有波动性;E5a最低,在96%~98%,YAGQ站具有波动性。

  为更好地分析各系统频点的信号质量,统计了XATY年积日007天BDS的B1C、B1I、B2a、B3I、B2b,GPS的L1、L5,GALILEO的E1、E5a信号的信噪比值随高度角变化的情况,由图4可知,各系统不同频段信噪比均随高度角的增加呈上涨的趋势,高度角40°之后增长趋势变缓,其中BDS的5个频段B2a 的信噪比最优,同一频率BDS的B1C低于GALILEO的E1 1 dB-Hz左右,优于GPS的L1 1.5dB-Hz左右,BDS的B2a低于GPS的L5 1.5 dB-Hz左右,优于GALILEO的E5a 1 dB-Hz左右。

  统计4个站点连续7天观测数据各系统相应频点的多路径误差均值,由图5可知,4个站点各频点多路径误差趋势一致,由于各测站的观测环境差异,不同测站同一信号的多路径误差存在一定差别,其中BDS的5个频段,B2a 的多路径误差均最大,也优于0.5 m,B2b最小。同一频率信号BDS的B1C多路径误差比GPS的L1和GALILEO的E1多路径误差要略高,BDS的B2a多路径误差比GPS的L5和GALILEO的E5a多路径误差大0.2 m左右。

  为分析各系统频点的性能,统计了XATY站年积日007天BDS的B1C、B1I、B2a、B3I、B2b,GPS的L1、L5,GALILEO的E1、E5a频段的多路径值随高度角变化的情况,由图6可知,各系统不同频段多路径均随高度角的增加呈下降趋势,其中BDS的5个频段中,B2b 的多路径优于其他频段,高度角超过30°时,离散程度降低。同一频率信号GALILEO的E1优于BDS的B1C和GPS的L1,高度角超过30°时,B1C与L1接近;GPS的L5与GALILEO的E5a接近,均优于BDS的B2a。

  由图7可知,4个站点BDS卫星可见数远大于GPS、GALILEO卫星可见数,平均25颗,最大达29颗,最小20颗。GALILEO卫星可见数最少,平均6~7颗,GPS卫星可见数平均9~10颗。陕北地区站点卫星可见数最多。

  统计4个站点年积日007天PDOP值,由图8能够准确的看出,4个站点3种卫星的PDOP值整体保持在4以下,BDS、GPS的PDOP值表现较优,而GALILEO卫星可见数较少,卫星空间几何构型较差,PDOP值最大,稳定性最差,GPS卫星的PDOP值整体稳定,无较动。YELE、YAGQ及XATY站点BDS卫星在12:00:00有跳变。

  为分析不同系统的同频率数据质量,基于数据完整率、伪距多路径、信噪比指标,计算了4个站点连续7天观测数据各系统相应频点的综合评价值,综合评估结果与各站点的数据质量指标反映的质量情况一致。各站点GPS的L5均小于其他系统同频率综合评价值,YAGQ、XATY、AKZY站BDS的B1C小于其他系统同频率综合评价值,YLEL站介于GALILEO的E1和GPS的L1之间,见图9。

  本文通过选取4个陕西北斗基准站连续7天的多系统观测数据计算结果,从数据利用率、信噪比、多路径效应、卫星可见数及三维位置精度因子等指标对BDS、GPS及GALILEO数据质量比较分析, 重点将北斗三号的B1C和B2a频点,与GPS系统的L1、L5频点和GALILEO系统的E1、E5a频点作对比分析,得出以下结论。

  1)BDS、GPS和GALILEO数据完整率接近,均在97%以上。B1C、L1、L5、E1频段完整率均在99%以上,且相对来说比较稳定;E5a频段完整率最低,也均在96%以上,YAGQ站具有波动性,B2a完整率次之,在97%以上,XATY站具有波动性。

  2)各站点信噪比均大于40dB-Hz,L5频段信噪比均最高,都在47 dB-Hz以上,L1信号信噪比均最低,在41 dB-Hz以上。BDS卫星B2a最高,均在46 dB-Hz以上。各系统信号信噪比均随高度角的增加呈上涨的趋势,40°之后增长趋势变缓,同一频率E1频段最高,B1C次之,L1最低;L5最高,B2a次之,E5a最低。

  3)各频点多路径误差趋势一致,因站点观测环境差异,不同测站同一信号的多路径误差存在一定差别,BDS卫星频段中B2a 的多路径误差均最大,B2b最小。同一频段B1C多路径误差比L1和E1略高,B2a多路径误差比L5和E5a大。各系统信号多路径均随高度角的增加呈下降趋势,高度角超过30°时,离散程度降低,B1C与L1接近。L5与E5a接近,均优于B2a。

  4)BDS卫星可见数远大于GPS、GALILEO卫星可见数,GALILEO卫星可见数最少,陕北地区站点卫星可见数最多。3种卫星的PDOP值整体保持在4以下,BDS、GPS的PDOP值表现较优,GPS卫星的PDOP值整体稳定,GALILEO稳定性最差。

  5)站点综合评估结果与数据质量指标反映的质量情况一致,站点各频点综合评价值差异趋势一致。GPS的L5均小于其他系统同频率综合评价值,3个站BDS的B1C小于其他系统同频率综合评价值,YLEL站介于GALILEO的E1和GPS的L1之间。综合评价值范围大于各指标差异,需利用更长周期数据的多项指标值,对综合评价模型及计算方式进一步验证完善。

  【作者简介】赵大江(1982—),男,正高级工程师,硕士,主要研究方向为大地测量数据处理。

  【基金项目】国家自然科学基金项目(41774004,41904040);国家基础测绘项目(002);陕西省财政厅专项资金项目

  【引文格式】赵大江,王斌,张涛,等.多系统基准站数据质量比较分析研究[J].测绘科 学,2023,48(9):9-16.

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