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北斗三号观测数据质量分析

作者：来源：阅读次数：日期：2020-08-08

中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛

“科研成果快报”

1. 标题

· 北斗三号观测数据质量分析

· Data quality analysis of BDS-3 observables

2. 成果信息

· 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(6): 37-45.

· DOI：10.16251/j.cnki.1009-2307.2020.06.005

· 项目支持：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(项目编号：CUGL170821），武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室开放基金资助项目（项目编号：18-01-06）

3. 成果团队成员

王广兴，博士，中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛，讲师，硕士生导师。研究方向GNSS精密单点定位及模糊度固定理论与方法。（通讯作者，联系邮箱：wanggx@cug.edu.cn）

尹志豪，硕士研究生，中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛，研究方向为北斗数据质量分析体系及PVT性能评估。

胡志刚，博士，武汉大学卫星导航定位技术研究中心，副教授，硕士生导师。研究方向北斗/GNSS多系统导航定位理论与方法及卫星导航系统服务性能评估理论。

薄亚东，硕士研究生，中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛，研究方向为GNSS实时高精度数据处理。

4. 成果介绍

目前，北斗观测数据质量的分析研究主要是针对北斗二号系统，对北斗三号系统以及新老信号的对比分析，特别是北斗三号B1C和B2a这两个新的民用信号的研究较少。论文提出一套包含信噪比、多路径、数据完整率、数据饱满度以及数据连续性等指标的数据质量分析体系。通过iGMAS监测站数据对北斗系统的观测数据质量进行分析。

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（图1）；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（图2）。

图1. 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2. KNDY测站兼容互操作频点信噪比随高度角变化情况对比

对每个测站每一频点多路径的RMS值进行统计分析（图3）。其中，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。

图3. 每个测站的每一频点多路径的RMS统计

数据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；数据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；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。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（表1），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（表2），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（表3），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。

表1. 各个测站频点的数据完整率统计（单位：%）

信号频点	测站						均值
信号频点	BRCH	CANB	DWIN	KNDY	PETH	ZHON	均值
BDS2-B1I	93.86	94.90	92.58	99.99	99.10	95.98	96.07
BDS2-B3I	96.04	98.19	98.48	93.17	98.41	95.20	96.58
BDS3-B1I	99.10	97.25	84.45	99.79	98.70	99.17	96.41
BDS3-B3I	99.43	99.32	85.41	98.35	99.43	99.21	96.86
BDS3-B1C	98.80	97.94	84.26	98.88	80.27	99.24	93.23
BDS3-B2a	98.85	97.98	97.38	98.79	79.90	99.38	95.38
GPS-L1	99.99	98.42	98.04	99.89	99.50	99.78	98.60
GPS-L5C	41.67	99.79	96.36	99.64	99.62	99.85	89.49
Galileo-E1	99.30	97.49	94.43	98.96	91.48	99.77	96.91
Galileo-E5a	98.72	99.49	92.92	98.69	94.72	89.94	95.75

表2. 各个测站的数据饱满度统计以及平均值（单位：%）

卫星系统	测站						均值
卫星系统	BRCH	CANB	DWIN	KNDY	PETH	ZHON	均值
BDS2	93.96	95.32	92.72	93.67	99.08	95.97	95.12
BDS3	98.01	96.94	86.02	95.31	95.40	98.98	95.11
GPS	91.21	92.07	90.37	97.44	94.33	96.80	93.70
Galileo	98.10	97.40	93.26	98.63	89.83	90.35	94.60

表3. CANB测站G24、E19、C16和C38卫星数据连续性（单位：%）

年积日	卫星及频点
	G24		E19		C16		C38
	L1	L5C	E1	E5a	B1I	B3I	B1I	B3I	B1C	B2a
180	28.14	53.99	28.14	50.95	71.86	72.24	62.74	83.27	63.12	63.50
181	28.14	53.61	41.06	63.88	81.37	71.86	63.88	84.03	63.12	63.50
182	28.52	55.89	29.28	11.41	82.89	63.88	63.88	74.14	64.26	73.76
183	37.64	53.61	22.43	31.94	73.00	82.89	63.88	83.65	73.38	73.38
184	28.52	54.37	41.06	70.72	62.36	82.51	73.38	65.02	73.38	74.52
185	28.14	54.37	12.55	22.43	63.50	73.00	73.00	73.76	73.00	73.38
186	19.01	54.75	22.81	13.31	72.62	72.62	73.00	83.65	63.12	63.88
187	28.90	56.27	33.08	73.76	62.36	82.13	63.88	82.89	63.12	63.50
188	28.14	55.13	21.29	48.67	61.22	82.89	73.38	73.38	63.50	63.50
189	34.22	52.09	1.52	1.14	72.62	72.24	73.00	83.65	73.00	73.00
190	27.44	57.14	28.95	48.12	71.80	80.83	73.68	74.81	64.29	64.66
191	34.98	53.23	31.94	66.92	71.86	52.85	72.24	82.89	72.24	72.62
192	27.76	56.27	14.45	14.45	78.33	68.44	63.50	83.65	73.38	63.88
193	27.76	57.03	28.90	28.90	71.48	72.24	64.26	74.14	64.26	73.76
194	28.52	47.91	51.71	71.86	73.00	82.51	65.02	74.14	74.52	74.52
均值	29.06	54.38	27.28	41.23	71.35	74.21	68.18	78.47	68.11	69.02

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。结果表明，北斗三号系统卫星观测值质量与GPS相当，某些方面甚至优于GPS。