郭晓松 王克志 张树强 陈亮 李玉柱

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081）

（2.中国人民解放军93160 部队 河北省石家庄市 050002）

1 引言

伴随着全球卫星导航系统的蓬勃发展，导航定位技术在测量、军事、交通运输、大气监测等许多科研、生产领域得到广泛应用。在全球卫星导航定位系统的应用端，数据质量会受到多种因素的影响，观测数据质量的优劣直接影响用户实时定位、事后结果分析的可靠性和精度。并且随着我国北斗卫星导航系统的迅速发展，卫星导航产品类别细化，但是用户设备的性能却不尽相同，所以接收机性能测试评估技术成为卫星定位领域的研究热点。

目前常用的GNSS 数据预处理软件有BNC（BKG Ntrip Client）、TEQC（Translation Editing and Quality Checking）和ANUBIS。BNK 软件是基于QT 框架开发的开源软件，但是不支持BDS 卫星系统的数据质量分析。TEQC 软件只能兼容RINEX 2.X 格式的观测数据，随着RINEX 3.X 格式观测数据成为主流，TEQC 软件难以用于BDS-3 卫星系统的数据质量分析。ANUBIS 软件能够实现所有卫星系统的数据质量检测分析，同时支持RINEX 3.X 格式观测数据，且具备可视化功能。

为了解决监测接收机数据质量分析的多频多系统覆盖，本文研制一种多频多系统数据质量分析软件，该软件实现GPSBDSGalileoGLONASS 的全频点覆盖、同时支持RINEX 3.X、监测接收机数据存储格式两种数据格式，并具备多频多系统数据质量指标分析功能。

2 数据质量分析统计指标

2.1 数据完整率

数据完整率指的是监测接收机观测到的卫星某频点上的实际观测历元数与理论观测数据历元数的比值。在实际观测环境下，由于接收机内部问题、观测环境遮挡等因素，导致信号失锁，使得数据完整率低于100%。

监测接收机捕获的某颗卫星单频点的数据完整率可以表达为：

式中：DI为单频点观测数据完整率，%； n 为观测期间卫星观测总数；A为观测时间段内，第j 颗卫星在某频点的实际观测历元总数；B为观测时间段内，第j 颗卫星在某频点的理论观测历元总数；DI为表示单系统观测数据完整率，%；C为观测时间段内，第j 颗卫星所有频点的有效观测历元总数；D为观测时间段内，第j 颗卫星的理论历元总数。

2.2 伪距噪声

伪距噪声是指由 GNSS 接收机伪距噪声、未剔除干净的对流层和电离层延迟误差以及未被模型化的轨道误差和钟差残差等引起的伪距测距误差。不同监测接收机获取的伪距观测值的噪声水平也并不一致，目前常规分析方法是基于单站观测数据直接计算，主要采用历元间三次差法，主要步骤如下所示。

第一步：计算各卫星某频点伪距观测值的历元间三次差，即：

2.3 载波相位噪声

载波相位噪声与伪距噪声具备类似特性，不过载波相位噪声相比于伪距噪声要小很多。载波相位噪声评估基于单站观测数据，采取历元间三次差方法进行评估，主要步骤如下：

第一步：计算各卫星某频点载波相位观测值的历元间三次差，即：

式子中：φ 为某颗卫星某频点的载波相位观测值。

第二步：计算某颗卫星的载波相位三次差均值及方差，即：

2.4 伪距多路径

多路径是GNSS 观测站数据质量评估的重要指标之一。通常使用多路径组合观测值对伪距多路径及其噪声进行评估，多路径组合观测值可以表达为：

式子中：MP表示频点j 上的伪距多路径和噪声之和；P表示频点j 上的伪距观测值；φ和φ分别表示频点j、频点i 上的载波相位观测值；λ和λ分别表示频点j、频点i 上的载波相位观测值波长；f和f分别表示频点j、频点i 上的载波相位观测值频率；C表示模糊度项和硬件延迟的组合。在不发生周跳的情况下，C为常数项。

2.5 周跳比

在载波相位测量中，由于接收机跟踪卫星的过程中卫星信号失锁、信号干扰、低信噪比和接收机高速运动等原因会在载波相位测量值中引入一个突然的整周跳变，这就是周跳。通过计算周跳历元数与实际观测历元个数的比值，即周跳比。

利用电离层残差法（GF 法）和宽巷相位减窄巷伪距法（MW 组合法）的组合探测法，即TurboEdit 方法，实现对周跳的探测。

3 软件实现及验证

3.1 软件功能设计

GNSS 多频多系统数据质量分析软件基于C++语言进行开发，软件的整体流程设计如图1 所示。

图1： GNSS 多频多系统数据质量分析软件功能流程图

软件主要包括四个模块，分别为：数据读取模块、数据质量分析模块、MP 序列结果展示模块和报表导出模块。数据读取模块兼容RINEX 2.X、RINEX 3.X 和监测接收机存储数据三个数据格式，数据质量分析模块包括质量分析参数设置、数据完整率、伪距噪声、载波相位噪声、周跳比和伪距多路径分析功能；MP 序列实现各卫星不同频点组合MP 序列绘制展示；报表导出模块实现GPSBDSGalileoGLONASS 数据质量分析结果输出。

3.2 数据质量分析结果

通过中国电科54 所研制的GNSS 监测接收机为例给出伪距测量精度、载波相位测量精度、伪距多路径、数据完整率和周跳比测试结果。测试场景为对天测试，数据时间为24 小时，采样率1Hz。

3.2.1 伪距精度统计

图2、图3 分别为BDS-2 卫星的B1IB2IB3I 频点伪距测量精度统计图和BDS-3 卫星的B1IB1CB2aB2bB3I 频点伪距测量精度统计图。

图2： BDS-2 伪距噪声统计直方图

图3： BDS-3 伪距噪声统计直方图

图2 可以看出该监测接收机的B1I 伪距测量精度约为5.4cm、B2I 伪距测量精度约为3.5cm、B3I 伪距测量精度约为1.5cm。图3 可以看出该监测接收机的B1I 伪距测量精度约为4.1cm、B1C 伪距测量精度约为4.2cm、B2a 伪距测量精度约为1.9cm、B2b 伪距测量精度约为1.7cm、B3I 伪距测量精度约为1.4cm。

3.2.2 载波相位精度统计

图4、图5 分别为BDS-2 卫星B1IB2IB3I 频点载波相位测量精度统计直方图和BDS-3 卫星B1IB1CB2aB2bB3I频点载波相位测量精度统计直方图。

图4： BDS-2 载波相位噪声统计直方图

图5： BDS-3 载波相位噪声统计直方图

图4 可以看出该监测接收机的B1I 载波相位测量精度约为0.0057 周、B2I 载波相位测量精度约为0.0055 周、B3I 载波相位测量精度约为0.0056 周。图5 可以看出该监测接收机的B1I 载波相位测量精度约为0.0054 周、B1C 载波相位测量精度约为0.0055 周、B2a 载波相位测量精度约为0.005周、B2b 载波相位测量精度约为0.0051 周、B3I 载波相位测量精度约为0.0051 周。

3.2.3 伪距多路径统计

图6 和图7 分别为BDS C01 卫星和C06 卫星在B1I-B2I频点组合下的原始MP 序列。BDS GEO 卫星在摄动力的影响下，伪距多路径序列会呈现低频波动现象。C01 卫星在B1I、B2I 上的MP 精度分别为0.675m、0.531m；C16 卫星在B1I、B2I 上的MP 精度分别为0.501m 、0.416m。

图6： C01 伪距多路径序列

图7： C16 伪距多路径序列

表1 为四系统某颗卫星多频点上的伪距多路径精度统计表。可以看出监测接收机抗多径算法能保证误差在0.7m 以内。

表1： GPSBDSGalileoGLONASS 卫星伪距多路径统计表

3.2.4 数据完整率

表2 为GPSBDSGalileoGLONASS 四个系统某颗卫星数据完整率统计表。可以看出该监测接收机信号锁定能力较好，最低数据完整率约为98%。

表2： GPSBDSGalileoGLONASS 卫星数据完整率统计表

3.2.5 周跳比

表3 为GPSBDSGalileoGLONASS 四个系统某颗卫星周跳比统计表。可以看出该监测接收机信号锁定能力较好，在24 小时对天测试试验下，周跳个数约为0.3 个/小时。

表3： GPSBDSGalileoGLONASS 卫星周跳比统计表

4 结束语

随着全球卫星导航系统的迅速发展，地面运控系统逐步增多，即监测站、CORS 站会呈现爆发式增长。监测接收机的测试评估工作是检验接收机性能好坏的关键，本文通过接收机的数据完整率、周跳比、伪距噪声、载波相位噪声和伪距多路径几个维度进行分析。实验结果表明该监测接收机的伪距噪声约为0.5m，载波相位噪声约为0.005 周、伪距多路径MP 值精度约为0.55m，且具备较好的信号锁定能力。本文只对接收机性能进行了初步评测，为了完善测试体系，需进一步开展其余性能指标测试工作。