左 宗，陳明劍，李 瀅，姚 翔(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

極地石油、礦產(chǎn)等自然資源種類繁多且儲量豐富，很多地區(qū)尚未被開發(fā)，是人類珍貴的能源基地。為了更好地進行極地科考，爭取極地利益，我國需要自主可靠的極地導(dǎo)航定位服務(wù)[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)正按照“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略快速推進，為我國的極區(qū)自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位創(chuàng)造了平臺。衛(wèi)星定位過程中，觀測數(shù)據(jù)會受到各種不確定環(huán)境因素及系統(tǒng)因素等的影響，產(chǎn)生質(zhì)量上的差異。數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞將直接影響導(dǎo)航定位解算結(jié)果[2]。復(fù)雜的極地電磁環(huán)境和測站的高緯度分布，會對衛(wèi)星的幾何構(gòu)型、信噪比和多路徑效應(yīng)等造成一定影響[3]，電離層閃爍引起的電離層結(jié)構(gòu)變化也會改變GNSS在極地的定位性能[4]。為進一步評估極地環(huán)境對GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，本文以信噪比、多路徑效應(yīng)和電離層延遲變化率等作為數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo)，對極地測站的GNSS實測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析。研究結(jié)論對于認識極地GNSS定位性能，提高極地GNSS測量的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。

1 評估內(nèi)容和方法

1.1 信噪比

信噪比(SNR)指接收的載波信號強度與噪聲強度的比值。接收機載噪比通?？杀硎緸镃/N，即以1 Hz帶寬為參考的信噪比S/N。衛(wèi)星導(dǎo)航信號為弱信號，當(dāng)GPS C/A碼輸入功率為額定度功率-130 dBm時，接收機載噪比約為44 dB/Hz[5]。輸入功率小于額定度功率或衛(wèi)星信號受到遮擋，信噪比值會相應(yīng)降低，不利于信號檢測。信噪比可用于比較不同信道和衛(wèi)星間的信號強度，評估環(huán)境干擾的影響。相對中低緯度測站，極地觀測的GNSS信號受人為電磁活動的干擾理應(yīng)更少。

1.2 多路徑效應(yīng)

接收機接收到的衛(wèi)星信號中包含有經(jīng)地物或建筑等表面反射到達接收機天線的間接信號。間接信號的路徑不一，使得觀測數(shù)據(jù)含有測距誤差。載波相位的波長較短且一般不超過其波長的1/4，量級上遠小于偽距多路徑，而高反射場景下的偽距多路徑效應(yīng)可達到數(shù)米，故常?？珊雎暂d波相位多路徑效應(yīng)，利用載波相位和偽距組合觀測值求解偽距多路徑誤差[6]。f1、f2兩個不同頻點的多路徑誤差MP1和MP2可表示為

(1)

(2)

式中，P為偽距觀測值；φ為載波相位觀測值；ε為偽距觀測噪聲；λ為載波波長；N為整周模糊度。

1.3 電離層延遲變化率與電離層閃爍

電離層延遲變化率反映了電離層延遲和電子含量變化的劇烈程度，是認識電離層活動的重要窗口。電離層延遲是位置解算中不可忽略的誤差項，需通過建?；虿罘址椒ㄏｋ婋x層延遲變化率不僅影響周跳探測的準(zhǔn)確程度，還影響用戶電離層改正信息的正確性和時效性，可作為周跳的判別條件[7]。

利用雙頻載波相位觀測量，電離層延遲可表示為

(3)

電離層延遲對應(yīng)歷元間作差可得到電離層延遲變化率，電離層延遲變化率在數(shù)據(jù)預(yù)處理中應(yīng)用廣泛，是較為常見的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo)。極地地區(qū)電離層閃爍現(xiàn)象較頻繁，會對衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)和運控等造成影響，導(dǎo)致信號捕捉跟蹤困難、數(shù)據(jù)誤碼或丟失等[8]。電離層延遲變化率在一定程度上反映了電離層活動對導(dǎo)航定位可能造成的影響，是極地GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量評價體系中重要的指標(biāo)之一。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

試驗對象選用了IGS高緯度測站(cas1、ohi3和reyk)和南極中山站2015年4月5日至10日連續(xù)采集的多頻多系統(tǒng)GNSS數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)至少包括了北斗B1/B2和GPS L1//L2，采樣間隔為30 s。IGS測站數(shù)據(jù)均出自MGEX(multi-GNSS experiment)，采用LEIAR25天線。中山站衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集使用的接收機型號為GMR-4011，天線為LEIAR25。IGS測站在高緯度的分布少且只有少部分能采集并提供北斗數(shù)據(jù)。為更準(zhǔn)確地體現(xiàn)高緯度的數(shù)據(jù)質(zhì)量特征，加入中低緯度IGS站(cut0)的觀測數(shù)據(jù)作為對比，圖1為測站分布。

圖1 試驗數(shù)據(jù)來源測站分布

2.2 極地BDS信噪比特征分析

選取高緯度IGS站、中山站和cut0站2015年4月5日至10日的GNSS觀測數(shù)據(jù)，分析極地BDS不同軌道衛(wèi)星的信噪比特征及其隨時間的變化規(guī)律。以中山站4月5日的GNSS衛(wèi)星信噪比結(jié)果為例，cut0測站結(jié)果作為對比。圖2為中山站GNSS衛(wèi)星B1/L1頻點信噪比和B2/L2頻點信噪比的變化序列，圖3為cut0站GNSS衛(wèi)星B1/L1頻點信噪比和B2/L2頻點信噪比的變化序列。表1為IGS測站不同年積日的BDS衛(wèi)星信噪比誤差統(tǒng)計結(jié)果。

圖2 中山站GNSS衛(wèi)星不同頻點信噪比序列

圖3 cut0站GNSS衛(wèi)星不同頻點信噪比序列

表1 IGS測站不同年積日BDS信噪比統(tǒng)計 dB/Hz

極地衛(wèi)星信號衰減更加嚴重，低緯測站衛(wèi)星信噪比在不同高度角條件的信噪比差異更明顯。從圖2、圖3和表1可以得到，極地測站BDS信噪比整體峰值相對低緯測站更小，對比cut0站衛(wèi)星信號信噪比結(jié)果，中山站衛(wèi)星信噪比峰值僅為50.5 dB/Hz。一般情況下，當(dāng)衛(wèi)星高度角較大，信噪比可達50～55 dB/Hz。中山站衛(wèi)星信號信噪比分布相對低緯測站更集中，L1頻點的信噪比大多分布在34～50 dB/Hz，L2頻點的信噪比大多分布在17～43 dB/Hz，L2頻點信噪比明顯低于L1頻點和B2頻點信噪比。極地測站觀測到的非靜止軌道衛(wèi)星信號信噪比隨時間變化更穩(wěn)定，地球靜止軌道衛(wèi)星信噪比序列存在較大波動，可能與極地測站的低衛(wèi)星高度角和較少的人為電磁環(huán)境干擾有關(guān)。

2.3 極地BDS多路徑特征分析

選取高緯度IGS站、中山站和cut0站2015年4月5日至10日的GNSS觀測數(shù)據(jù)，分析在極地BDS不同軌道衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差特征及其隨時間的變化規(guī)律。根據(jù)中山站GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果，圖4—圖6為中山站和cut0站BDS中GEO、IGSO和MEO衛(wèi)星多路徑和高度角隨時間的變化，表2為測站不同年積日的BDS多路徑誤差統(tǒng)計結(jié)果。

表2 測站不同年積日BDS多路徑誤差統(tǒng)計 dB/Hz

極地GNSS多路徑效應(yīng)受高度角影響較大，北斗多路徑效應(yīng)可能更加嚴重。從圖4—圖6可以看出，極地測站多路徑效應(yīng)隨衛(wèi)星高度角的變化呈現(xiàn)出規(guī)律性變化趨勢，與低緯度測站的衛(wèi)星多路徑效應(yīng)基本一致，但也呈現(xiàn)出明顯差異。GEO衛(wèi)星的多路徑誤差的偽距多路徑誤差峰值大，且多路徑序列很不穩(wěn)定。相對于低緯度測站，衛(wèi)星高度角逐漸增大至20°時，IGSO和MEO衛(wèi)星多路徑誤差序列變化趨于穩(wěn)定。從表2可以看出，并非所有高緯度測站的多路徑效應(yīng)都大，但可能出現(xiàn)非常嚴重的多路徑效應(yīng)。極地中山站和cas1站的BDS多路徑效應(yīng)尤為明顯，甚至造成數(shù)米的偽距測量誤差，需要在數(shù)據(jù)預(yù)處理中予以剔除。

圖4 C02衛(wèi)星多路徑和高度角隨歷元變化趨勢圖

圖5 C06衛(wèi)星多路徑和高度角隨歷元變化

圖6 C12衛(wèi)星多路徑和高度角隨歷元變化

2.4 極地BDS電離層延遲變化率特征分析

為分析極地BDS不同軌道衛(wèi)星電離層延遲變化率的特征及其在空間上的變化規(guī)律，選取中山站2015年4月5日至10日的北斗衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行分析。圖7表示中山站可觀測北斗衛(wèi)星電離層延遲變化率的相對變化，按坐標(biāo)軸方向依次錯開排列，衛(wèi)星截止高度角為10°。表3統(tǒng)計了2015年4月5日中山站所有可觀測衛(wèi)星的最大衛(wèi)星高度角。將各年積日分為8個時段(每個時段3 h)，表4統(tǒng)計了中山站2015年4月5日至10日各時段的所有北斗衛(wèi)星電離層延遲變化率最大值和標(biāo)準(zhǔn)差。

圖7 BDS衛(wèi)星電離層延遲變化率相對變化

表3 中山站北斗衛(wèi)星最大高度角統(tǒng)計 (°)

表4 中山站各時段的BDS電離層延遲變化率統(tǒng)計 m/min

極地測站不同軌道類型衛(wèi)星間的電離層延遲變化率的變化趨勢不一致，一天內(nèi)各時段的電離層活動劇烈程度不一，影響北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在極區(qū)的電離層延遲改正模型建立。從表3和圖7可以看出，極地測站的觀測數(shù)據(jù)受電離層活動影響較大，電離層延遲變化率序列波動明顯，其中IGSO衛(wèi)星電離層延遲變化更劇烈；極地地區(qū)的GEO衛(wèi)星利用率較低，中山站C01和C03衛(wèi)星高度角低于10°。從表4可以看出，電離層延遲變化率在時間上的分布不具備規(guī)律性，各個時段均有可能出現(xiàn)較大的電離層延遲變化。在第4時段(9～12時)統(tǒng)計的電離層延遲變化率最大值和標(biāo)準(zhǔn)差最小，電離層發(fā)生劇烈活動的概率相對小。在第1時段(0～3時)和第7時段(18～21時)的電離層延遲變化率統(tǒng)計結(jié)果最大，該時段很有可能發(fā)生電離層閃爍等現(xiàn)象。利用電離層活動中BDS不同軌道衛(wèi)星電離層延遲變化率的不同性能，可進一步評估極地電離層活動對GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量和衛(wèi)星大地測量的影響。

3 結(jié) 語

本文對2015年4月極地可用的北斗衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)(包括南極中山站自主采集的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù))進行了質(zhì)量分析，整體刻畫了極地BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量特征。針對極地電離層閃爍特性，提出了將電離層延遲變化率應(yīng)用于電離層閃爍的判定。研究發(fā)現(xiàn)：極區(qū)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量主要受高度角影響，信噪比水平整體偏低，靜止軌道衛(wèi)星的信號更易受干擾；在極圈內(nèi)的cas1站和中山站，多路徑效應(yīng)非常嚴重，特別是對于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，造成了較大的偽距測量誤差；極地衛(wèi)星導(dǎo)航定位性能受電離層活動影響較大，電離層延遲變化率時間上的統(tǒng)計特性可反映不同時段的電離層活動劇烈程度。

參考文獻：

[1] 楊元喜，徐君毅.北斗在極區(qū)導(dǎo)航定位性能分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2016,41(1):15-20.

[2] 李曉光，程鵬飛，成英燕，等.GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].測繪通報，2017(3):1-4.

[3] 呂成亮，張勝凱，鄂棟臣.南極GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].大地測量與地球動力學(xué),2011，31(2):117-120.

[4] 馮健，甄衛(wèi)民，吳振森，等.極區(qū)電離層閃爍特征初步分析[J].電波科學(xué)學(xué)報,2015,30(2):232-236.

[5] 楊東凱.GNSS反射信號處理基礎(chǔ)與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[6] 尹子明，孟凡玉，陳明劍，等.衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].全球定位系統(tǒng)，2016,41(1):54-59.

[7] 崔建勇，陳明劍，雷娜娜.基于電離層電子含量變化率的周跳探測方法[J].全球定位系統(tǒng),2012,37(3):37-40.

[8] 尚社平，史建魁，張北辰，等.基于全球定位系統(tǒng)的東亞電離層不規(guī)則體特性[J].電波科學(xué)學(xué)報,2014,29(4):627-633.

[9] 杜玉軍，王澤民，安家春，等.北斗系統(tǒng)在遠洋及南極地區(qū)的定位性能分析[J].極地研究,2015(1):91-97.

[10] 張小紅，郭斐，李盼，等.GNSS精密單點定位中的實時質(zhì)量控制[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2012,37(8):940-944.

[11] 張阿麗，熊福文，朱文耀.ITRF南山GPS連續(xù)參考點數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].地理空間信息,2015(3):90-92.

[12] WANNINGER L.Ionospheric Monitoring Using IGS Data，Paper Presented at the 1993 Berne IGS Workshop[C]∥GPS Serv.Berne：Int，1993.

[13] 潘麗靜.基于GNSS數(shù)據(jù)的極區(qū)電離層閃爍監(jiān)測及建模研究[D].天津：中國民航大學(xué),2015.

[14] LIU Z，CHEN W.Study of the Ionospheric TEC Rate in Hong Kong Region and Its GPS/GNSS Application[C]∥Global Navigation Satellite System Technology Innovation & Application.[S.l.]：scirp.org，2009.

[15] 何暢，蔡昌盛.利用GPS三頻觀測值監(jiān)測電離層TEC及其變化率[J].全球定位系統(tǒng),2014,39(4):60-63.