北斗三号观测数据质量分析

尹志豪¹，王广兴¹，胡志刚²，薄亚东¹

（1.中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，武汉 430078；

2.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079）

摘要：2020年底北斗三号卫星导航系统将全面建设完成，北斗三号沿用了B1I和B3I两个信号，并新增B1C和B2a两个新民用信号。为分析各个信号的观测数据质量，本文选取6个境外iGMAS连续跟踪站15天的数据对北斗三号的观测数据质量进行分析，从信噪比、伪距多路径、数据完整率、数据饱满度和数据连续性等五个方面综合对比了北斗二号和北斗三号新旧信号的数据质量，并将北斗三号与GPS和Galileo在兼容互操作频点进行对比。结果表明，北斗三号的信噪比优于北斗二号，在兼容互操作频点上也比GPS和Galileo高1~2dB-Hz；北斗三号B1C的伪距多路径误差比GPS大10cm左右；北斗三号的数据完整率要比Galileo高，略低于GPS；在数据饱满度和连续性方面，北斗三号优于GPS和Galileo。

1 观测数据质量指标

本文从信噪比、伪距多路径、数据完整率、数据饱满度以及数据连续性等五个方面对北斗三号观测数据质量进行分析，本节内容将介绍各分析指标的计算方式以及含义。

1.1 信噪比  

信噪比(SNR)是载波信号强度和噪声强度的比值，一般用来衡量信号强度大小，是载波相位观测值的质量指标之一，单位为dB-Hz。信噪比数值越大，表明观测数据质量越好，观测数据文件中会记录下当前历元每颗卫星的信噪比数值。

1.2 伪距多路径

在双频观测值可用的情况下，可以采用载波与伪距的组合观测值来反映多路径误差。进行观测值组合分析时，一般选取频率相差较大的两个频点数据进行组合，否则会放大观测噪声，无法正确反映多路径效应。以B1I和B3I频点观测值为例，伪距多路径组合观测值的计算公式可以表达为

式中，和分别为伪距和载波相位观测值，和分别为观测值频率和波长，下标1和3分别代表B1I和B3I频点。

该组合消除了卫星和接收机之间的几何距离、对流层延迟和电离层延迟的一阶项影响，主要包含伪距观测值上的多路径效应。上述组合包含有模糊度参数，在数据不发生周跳的情况下，可以直接进行多历元取平均的方法来消除模糊度参数，在发生周跳时，需要通过分段取平均再减去平均值的方法消去模糊度参数。本文试验采用M-W组合进行周跳探测，在发生周跳处进行分段，以此来计算出每颗卫星每一历元的多路径误差。

1.3 数据完整率

在指定截止高度角后，在当前测站利用广播星历计算的可见卫星的接收观测值个数为应接收的理论数据；而实际接收数据按接收机的实际个数统计。该指标可以描述接收机在不同截止高度角范围内的信号跟踪情况。

完整率为某颗卫星某一频点实际接收数据与应接收的理论数据的百分比，可以用如下公式进行计算

式中，和分别表示卫星号和频点号，和分别为实际接收的数据量和理论上应该接收的数据量。

1.4 数据饱满度

接收机接收不同频率、不同类型的观测值，理论上各频率载波和伪距观测值数量应相等，实际中由于某类型观测值部分缺失导致不同类型观测值数量不等的情况时有发生。饱满度就是统计单颗卫星不同数据类型中，最小数据量与最大数据量之比，比值越大，表明该卫星不同类型的数据越饱满。饱满度一般以百分数形式表示，计算公式可以表达为

式中，表示卫星号，为向量，向量中各元素为第号卫星各观测值类型的数据量，和分别为取最小值和最大值函数。本文中的试验数据类型仅考虑了伪距观测值和载波相位观测值。

1.5 数据连续性

GNSS通过导航卫星播发信号为用户提供服务，其系统持续为卫星导航用户提供服务的能力称为导航系统的连续性（Continuity）。作为评价GNSS性能的重要指标之一，系统的连续性与单颗卫星观测数据的连续性密切相关。观测数据的连续性可以用指定时间段内连续采集到数据的比率来衡量，通常采用实时滑动窗口计算卫星观测数据的连续性。

假设测试时间段为，用户设置的数据采样间隔为，则连续性指标的计算公式为

式中，为滑动时间窗口的长度，若第号卫星第频点在时刻的观测值存在，则函数返回值1，否则返回 0。数据连续性通常也以百分数形式表示。

2 实验结果分析

本文试验分析主要从以下四个角度进行：(1)北斗三号不同MEO卫星观测数据对比分析；(2)对比分析北斗二号卫星和北斗三号卫星播发的B1I和B3I信号；(3)分析北斗三号新增信号B1C和B2a与北斗二号信号的差异；(4)北斗三号与其他系统兼容互操作频点观测数据之间的对比分析。

本文选取6个iGMAS连续跟踪站2019年年积日（Day of Year, DOY）第180至194天（6月29日至7月13日）的15天观测数据进行分析，每个跟踪站的数据采样间隔为30s。

2.1 信噪比分析

图1是信噪比与卫星高度角的关系图。从中可以看出，高度角相同时，三颗MEO卫星的4个频点信噪比相对大小关系是一致的，B1I频点的信噪比最大，B1C和B3I次之，B2a频点信噪比最小，和B1I相差5dB-Hz左右。这一方面说明，同一测站北斗三号卫星不同频率的信号强度是不同的，另一方面也说明北斗三号不同的MEO卫星之间播发信号的性能是一致的，体现了北斗三号在各卫星建设中的一致性和统一性。

图1 BRCH测站C22、C25和C35卫星各频点信噪比随高度角变化情况

图2是北斗二号卫星C11和北斗三号卫星C28的B1I和B3I频点信噪比随高度角变化情况，从图中可以看出北斗三号的B1I和B3I信号强度较北斗二号有一定的提高，其中B1I信噪比大约提升3dB-Hz，B3I信号提升1dB-Hz左右。

图2 ZHON测站C11和C28卫星B1I和B3I频点信噪比随高度角变化情况

图3是北斗三号两个兼容互操作频点与GPS的L1、L5C和Galileo的E1、E5a信噪比对比，从图中可以看出，北斗三号B1C频点信号强度相较于GPS和Galileo系统分别有4dB-Hz 和2dB-Hz左右的提升，B2a频点信号强度优于Galileo系统1dB-Hz左右，低于GPS系统2dB-Hz左右。

图3 KNDY测站兼容互操作频点信噪比随高度角变化情况对比

2.2 伪距多路径分析

统计了6个iGMAS连续跟踪站的伪距多路径误差RMS值(如图4)，BRCH测站由于L5频点伪距观测值异常，所以没有统计伪距多路径数值。不同测站间的多路径误差由于观测条件和接收机的不同而有所差异，但是在同一个测站内，各个系统间的伪距多路径误差相对大小关系一致。同一测站北斗三号卫星中B1I、B3I和B2a的伪距多路径误差RMS相差1-5cm，但是B1C频点的伪距多路径误差RMS值很大，比其他三个频点普遍高出10cm以上；北斗二号卫星B3I的伪距多路径误差RMS值比B1I要小8cm左右；北斗三号卫星的B1I和B3I伪距多路径误差RMS值比北斗二号卫星要小，说明了同一频率信号在不同卫星上可能具有不同的质量表现；北斗三号的B1C伪距多路径误差RMS值比GPS的L1和Galileo的E1伪距多路径误差RMS值要大，B2a伪距多路径误差RMS值大于Galileo的E5a，小于GPS的L5C，可以看出，在兼容互操作频点的伪距多路径误差方面，北斗三号系统还有待加强。

图4每个测站的每一频点MP的RMS统计

2.3 数据完整率分析

为了更全面地体现出北斗系统的数据完整率，在计算完整率时，将截止高度角设置为0°，即不考虑因为高度角而舍弃的观测值，直接统计接收机接收到的所有观测值。得到6个跟踪站在15天内各个频点的数据完整率，如表1所示。

表1 各个测站频点的数据完整率统计（单位：%）

可以看出，在本文选取的6个测站中，除了DWIN和PETH测站以外，北斗三号卫星的数据完整率均在97%以上，GPS卫星的L1频点数据完整率均在98%以上，L5C频点数据完整率在BRCH测站仅有41.67%，其余5个测站均在96%以上；Galileo卫星的E1频点数据完整率均在91%以上，E5a频点数据完整率除了ZHON站也都在92%以上；从6个测站的平均值来看，北斗三号的B1I和B3I频点数据完整率略优于北斗二号，北斗三号B1C和B2a频点数据完整率比B1I和B3I频点低1-3%左右，其中B1C频点最低，为93.23%；兼容互操作频点方面，B1C的数据完整率不如L1和E1，B2a的数据完整率优于L5C，与E5a相当。

2.4 数据饱满度分析

数据饱满度考虑的是各个频点之间观测值类型数目的大小关系，因而，每颗卫星只有一个饱满度，不区分频点。从图5中可以看出，在本次试验的6个测站中有3个测站（BRCH、CANB、PETH）北斗系统的数据饱满度比GPS系统高，其余三个测站北斗系统的数据饱满度比GPS低2%左右，其中PETH测站北斗二号的数据饱满度达到了99.08%；除了PETH和ZHON测站以外，Galileo系统的数据饱满度比北斗系统要大5%左右；从6个测站的平均值来看，北斗二号和北斗三号数据饱满度接近，均在95%以上，Galileo系统为94.60%，GPS系统为93.70%。产生这种结果的原因可能是因为北斗系统多频点的优势，北斗系统是全星座播发三频信号，北斗三号卫星还会播发更多频点的信号，Galileo卫星和GPS卫星播发的频点信号较少，其中GPS系统在Block IIF卫星这代卫星之前只播发双频信号。

图5 测站饱满度统计图

2.5 数据连续性分析

由于连续性计算方法特殊，选择的滑动时间窗口越小，数据采样率越小，计算所需要的时间越长。本次试验以CANB测站为例，依据卫星发射时间和卫星运行状态选取C38、C16、G24和E19号卫星分别作为北斗系统、GPS和Galileo的代表卫星。考虑到数据处理的耗时，试验选择的滑动时间窗口为2小时，数据采样率为5分钟，各颗卫星各个频点在15天内的数据连续性如表2所示，图6是各个频点在15天内的连续性均值。

表2 CANB测站G24、E19、C16和C38卫星数据连续性（单位：%）

图6 各频点15天数据连续性均值

从图表中可以看出，北斗系统连续性最好，均值在68%以上，其次是GPS系统，Galileo系统最差。从连续性的稳定性来说，北斗系统要优于GPS和Galileo系统，每个频点在这15天内的数据连续性变化幅度不大；Galileo系统在年积日第189天数据连续性由48%和21%突变到1%，然后又恢复正常，在年积日第182、186和192天，Galileo系统E5a的数据连续性也只有不到15%。由此可见，北斗系统数据连续性的稳定性优于GPS和Galileo系统，其中Galileo系统的稳定性最差。北斗二号和北斗三号系统中B3I频点的数据连续性都是最高的，分别为74.21%和78.47%，北斗三号四个频点中，B1C频点数据连续性最低，为68.11%，其次是B1I频点的68.18%和B2a频点的69.02%。由此可见，北斗系统内，B3I频点数据连续性最好，新增的两个民用信号B1C和B2a还有待加强，也可能是因为目前的接收机对新信号追踪捕获不敏感。

3 结束语

本文通过选取iGMAS国外6个连续跟踪站15天的实测数据，从信噪比、伪距多路径、数据完整率、数据饱满度以及数据连续性等五个方面来分析北斗二号和北斗三号系统的观测数据质量，尤其是北斗三号的B1C和B2a频点，并与GPS系统的L1、L5C频点和Galileo系统的E1、E5a频点进行对比，结果表明：

(1)与北斗二号区域导航系统相比，北斗三号的信噪比均有提高，其中B1I和B3I信号提高了2~4dB-Hz；在与GPS和Galileo兼容互操作的频点上，北斗三号的B1C信噪比要比其他系统高2~4dB-Hz，B2a信噪比高于Galileo系统1dB-Hz左右，低于GPS系统2dB-Hz左右。

(2)北斗三号B1C频点的伪距多路径误差RMS值最大，比其他三个频点平均高出10cm左右；北斗三号的B1I和B3I频点伪距多路径误差相比于北斗二号有5-20cm的提高；在北斗二号和北斗三号系统中，B3I频点的伪距多路径误差都是最小的；B1C频点伪距多路径误差比GPS的L1频点大10cm左右，B2a频点伪距多路径误差比Galileo的E5a频点伪距多路径误差大1~9cm左右，表明北斗三号在兼容互操作频点的伪距多路径误差方面还有提升空间。并且北斗系统中的某些卫星(例如：C08、C14)在高度角增大时，伪距多路径误差会向负偏移。

(3)数据完整率、数据饱满度和数据连续性这三个分析指标指出，北斗系统观测数据的总体质量是优于GPS和Galileo系统的。数据完整率方面，北斗三号的B1C频点表现最差，只有93%，其余频点的数据完整率均在95%以上；数据饱满度方面，北斗二号和北斗三号差距不大，二者均在95%以上，略高于GPS的93%和Galileo的94%；数据连续性方面，北斗三号的B3I频点表现最好，达到了78.47%，B1C频点最低，为68.11%，北斗三号的B3I比北斗二号的B3I高4%左右，北斗三号的B1I比北斗二号的B1I低3%左右，同时，北斗系统整体的数据连续性均优于GPS和Galileo系统。

综上所述，北斗三号系统卫星观测值质量与GPS相当，甚至优于GPS。随着北斗三号系统建设和发展，能够在全球范围内接收到更多北斗三号观测数据，值得进一步分析和研究，以便为终端设计改进和数据处理提供参考。

参考文献（略）

引用格式：尹志豪,王广兴,胡志刚,薄亚东.北斗三号观测数据质量分析[J].测绘科学,2020,45(06):37-45.

作者简介：尹志豪（1996-），男（汉族），湖北鄂州人，硕士研究生，主要研究方向为GNSS精密定位。E-mail：[e-mail]

通讯作者：王广兴 硕士生导师，E-mail: [e-mail]

团队介绍：

作者所在团队依托中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院智能信息处理与泛在测绘研究中心，积极与武汉大学、山东科技大学等单位开展合作，围绕北斗系统建设和推广应用过程中的关键问题进行深入研究，并参与了多项数据质量分析相关项目，在北斗多频数据质量分析、定位测速评估、服务性能实时监测、智能手机北斗定位等方面积累了较为丰富的研发经验。目前，团队已登记软件著作权两项，分别是多GNSS观测数据质量分析软件[简称：MGOQA]V1.0和多GNSS观测数据差分及星历连续性分析软件[简称：MGODECA]V1.0。

多GNSS观测数据质量分析软件主要功能包括信噪比（Signal-to-noise Ratio, SNR）、精度衰减因子（Dilution of Precision, DOP）、几何无关组合、M-W组合、多路径组合等时间序列分析和空间特性分析，伪距、相位和多普勒观测值的历元间差分分析，以及周跳探测及标记等，并能根据用户需求进行数据连续性、数据有效率、数据可用率、数据饱满度和数据完整性等指标的综合统计分析。本论文结果均通过该软件分析得到。

多GNSS观测数据差分及星历连续性分析软件主要功能包括观测数据差分和广播星历连续性分析两大功能。数据差分支持星间差分、站间差分和站星间双差三种模式。与一般软件相比，本软件支持具体某颗卫星或者某两颗卫星的某一频点差分，并且能够同时对伪距、载波相位和多普勒三种观测值进行差分，得到的结果更加明确。广播星历连续性分析功能可以帮助用户分析使用的广播星历的正确性以及连续性。

现有软件均兼容RINEX(Receiver Independent Exchange)2.x和3.x数据格式，并支持最新的RINEX 3.04格式，能够同时处理BDS、GPS、Galileo和GLONASS四大卫星导航系统的观测数据，能够处理北斗二号各频点和北斗三号新增B1C、B2a频点数据，并具有较强的可扩展性。软件交互方便，自动化程度高，可以通过控制文件进行参数设置，既能满足专业用户高精度数据处理的个性化分析需求，又可为普通用户批量生成数据分析结果，实现问题数据的快速定位。软件支持Windows系统和Linux系统跨平台运行，模块可移植性强，易于维护和升级。

软件核心功能模块已实现连续业务化运行，效率和稳定性较高，分析结果为北斗系统快速建设和信号设计改进提供重要参考和支撑。此外，本软件在GNSS高精度数据处理、GNSS接收终端设计制造和质量检定等领域和部门也有较为广阔的应用前景。

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