测绘地理信息   2020, Vol. 45 Issue (1): 37-39
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引用本文
李玉忠, 马进全. 北斗卫星系统静态观测数据精度分析[J]. 测绘地理信息, 2020, 45(1): 37-39. DOI:10.14188/j.2095-6045.2018074
Li Yuzhong, MA Jinquan. Precision Analysis of Static Observation Data of BeiDou Satellite System[J]. Journal of Geomatics 2020, 45(1): 37-39. DOI:10.14188/j.2095-6045.2018074
北斗卫星系统静态观测数据精度分析[PDF全文]
李玉忠1, 马进全2    
1. 青海省遥感测绘院, 青海 西宁, 810000;
2. 青海省测绘质量监督检验中心, 青海 西宁, 810000
收稿日期: 2018-02-22
基金项目: 中央支持青海省藏区基础测绘专项(2200399，2200304)
第一作者简介: 李玉忠，工程师，研究方向大地测量与工程测量。E-mail:1019291152@qq.com
摘要: 基于卫星定位解算软件GAMIT/GLOBK 10.61版本，利用中国境内MGEX(the multi-GNSS experiment)项目测站观测的多星座数据(2017年001-200年积日)解算北斗卫星和GPS系统静态观测数据，对比分析北斗和GPS基线解算精度。结果显示，与GPS(32颗)相比，北斗卫星(14颗)的数据质量略差，北斗和GPS的基线重复性在基线长度方向精度分别为5.06 mm+12.11×10-9和1.61 mm+1.63×10-9。
关键词: GAMIT/GLOBK     北斗     MGEX     基线解算精度    
Precision Analysis of Static Observation Data of BeiDou Satellite System
Li Yuzhong1, MA Jinquan2    
1. Qinghai Institute of Remote Sensing Surveying and Mapping, Xining 810000, China;
2. Qinghai Center for Surveying and Mapping Quality Supervision and Inspection, Xining 810000, China
Abstract: This paper decodes the static observation data of BeiDou satellite and GPS by using multi-constellation data(2017, 001-200 days)of MGEX(the multi-GNSS experiment)project in China based on satellite positioning decoding software GAMIT/GLOBK version 10.61, Then, the analyses of BeiDou and GPS baseline calculating precision are compared.The results show that the data quality of 14 BeiDou satellite is slightly worse than that of 32 GPS satellite, and the baseline repeatability of Beidou and GPS are 5.06 mm+12.11×10-9 and 1.61 mm+1.63×10-9 at baseline length.
Key words: GAMIT/GLOBK     BeiDou     MGEX     precision of baseline solution    

随着GNSS(global navigation satellite system)技术的不断发展与进步，到2020年全球将有大于100颗导航定位卫星和12种不同的频率的载波信号[1]。

10.61版本的GAMIT/GLOBK已经能够支持GNSS数据处理，可以单独处理GPS(美国)、BeiDou(中国)、Galileo(欧盟)、IRNSS(印度)的观测数据，暂不支持GLONASS(俄罗斯)和QZSS (日本)的解算[2, 3]。截至2018-02-04，北斗在轨可用卫星数达到24颗[4]，其中北斗二代卫星15颗，北斗三代卫星9颗。本文利用GAMIT/GLOBK 10.61版本，解算中国MEGX(the multi-GNSS experiment)项目大陆地区测站2017年001-200间北斗静态连续观测数据，同时对比GPS解算的精度，分析了北斗独立高精度解算效果，为今后北斗系统广泛的科研及工程运用做准备。

1 RINEX 3

RINEX 3.x与2.x版本相比，对文件类型做了较大幅度的修改，将文件格式精简为观测文件、导航文件和气象文件3种，并能够更好地支持多卫星系统。新的RINEX格式不需要在文件扩展名中加入观测年，只包含两种扩展名：.rnx表示标准的RINEX文件，.crx表示压缩过的Compact RINEX格式。统一的后缀名更易于被操作系统、文本编辑器和人类识别。新的RINEX文件命名方式为：

< SSSS> < MR> < CCC>_ < S>_ < YYYYDDDHHMM>_ < NNN>_ < FRQ>_ < TT>. < FMT>.gz

其中，< SSSS>为观测站点名；< MR>为接收机编号；< CCC>为三位ISO 3166-1标准的国家代码，标识站点位置，中国代码CHN；< S>为数据源，即数据来源于接收机(R)还是数据流(S)；< YYYYDDDHHMM>为观测开始时刻(年、年积日、时、分)；< NNN>为观测时段长度，01D=1 d；< FRQ>为观测时的采样间隔；< TT>为包含的卫星系统和数据类型，第一位表示卫星系统(M：Mixed、G：GPS、R：GLONASS、C：BeiDou-2/COMPASS、E：Galileo、J：QZSS、I：IRNSS)；第二位为数据类型，即观测文件(O)、导航文件(N)或气象文件(M)；< FMT>为扩展名，扩展名只有两种：.rnx或.crx。.gz为压缩格式。

广播星历(broadcast ephemerides)文件名中不包含 < FRQ>观测时的采样间隔或采样频率，统一都是15 min间隔。

最新的GAMIT/GLOBK 10.61程序已经能够处理RINEX 3格式的文件输入，能够在不进行格式转换的情况下，直接对RINEX 3的观测或星历数据进行处理。但目前的程序尚不能支持RINEX 3格式命名的文件名。为了处理这个问题，GAMIT/GLOBK 10.61提供了sh_rename_rinex3脚本。该脚本可以将RINEX 3格式的文件名更改为RINEX 2格式的文件名：sh_rename_rinex3-f rinex3/*.rnx-d rinex/。

2 GAMIT解算北斗卫星观测数据

解算示例使用了MGEX项目于2017-01-01~2017-07-19观测的多系统GNSS数据，包括多系统混合广播星历文件p文件、IGS的CDDIS数据中心多系统精密星历sp3文件。因为WUH2(武汉站)和TWTF(桃源站)不包含北斗卫星接收数据，固只下载其他8个观测站的RINEX 3格式观测文件。文件下载方法如下：

1) 混合广播星历文件p：sh_get_nav指定下载机构CDDIS，另外需要指定参数navdir(从CDDIS下载的目录，navmgex是多卫星的，navalt仅是GPS的)；

示例：sh_get_nav-archive cddis-yr 2017-doy 001-ndays 200-navdir navmgex

2) 多系统精密星历sp3文件：sh_get_orbits指定下载机构CDDIS，在命令参数中必须指定类型-type msp3，-center com，也就是合并后的精密星历。

示例：sh_get_orbits-archive cddis-yr 2017-doy 001-ndays 200-type msp3-center com

3) RINEX 3.x格式观测数据：从如下网址ftp://igs.bkg.bund.de/IGS/obs/选择相应天数的数据。

解算数据准备好以后，GAMIT多系统独立解算过程大同小异，只是在解算北斗卫星数据时加入-gnss C参数(GPS解算，默认为-gnss G)[5]。

sh_gamit-expt chen-s 2017001 200-orbit COM1-gnss C-noftp-pres ELEV-dopt D ao c x>sh_gamit.log

其中，-expt：指定4个字符的项目名称；-s：指定需要处理的时间序列，例如-s 2018 001 005指处理2018年第1~5 d；-orbit：卫星轨道类型，多星用COM1，单独GPS可以使用IGSF；-gnss：设置解算卫星系统(G、R、C、E、J、I，默认为G)；-noftp：处理过程中不连接ftp下载数据；-pres：设置绘制卫星天空图、相位与高度角关系图，默认No；-dopt：数据处理完成后待删除的文件类型，例如-dopt D ao c x。

3 北斗与GPS独立解算精度评估

GAMIT分别独立解算北斗和GPS观测数据，获得两种星座定位基线结果，两个系统的每日解NRMS(normalized root-mean-square value)均在0.2左右，相差无几，且都满足要求。图 1为2017年200日JFNG站分别观测到的北斗和GPS卫星天空图，其中红色表示卫星轨道，黄色和绿色表示正负残差；同一个地点在各个的时间段有高残差预示着存在多路径效应，同一个地点在特定的时间段有高残差预示着存在水波折射。在24 h观测周期内，时间窗口为4 h(6个天空图)，一共观测到北斗卫星14颗(4颗MEO、5颗IGSO、5颗GEO)、GPS卫星32颗。

图 1 JFNG站2017年200日的卫星天空图 Fig.1 JFNG Station 2017-200 Satellite Sky Map

图 2为相位与高度角评定精度。图 2(a)中北斗数据整体趋势线在某些高角度离开蓝色中线，表明卫星信号受到了电磁干扰[6, 7]。图 2(b)中GPS数据红色线整体趋势线平缓，在蓝色中线上下均匀波动，表明数据质量较好。

图 2 JFNG站相位与高度角评定精度 Fig.2 Accuracy of JFNG Station and Height Angle

对比JFNG站2017-200北斗和GPS观测数据的整周模糊度解算[8]，北斗有较低的窄巷百分比，表明有较差的伪距观测值，这是因为只观测到4颗北斗MEO卫星。另一方面，北斗数据整周模糊度解算的窄巷与宽巷相比有较低的百分比，表明北斗卫星几何分布较差或存在大气误差。

评价站坐标精度的指标是多时段基线重复性和多时段坐标重复性[9, 10]，因此求取了2017年001~200之间的每日解，以此求得北斗和GPS独立解算的整网基线重复性。表 1的解算结果显示，本次解算GPS的整网基线重复性精度较高，各方向均比北斗好。

表 1 基线重复性的常数部分和比例部分 Tab.1 Constants and Proportions of Baseline Repeatability

4 结束语

本文利用最新GAMIT 10.61版本独立解算北斗数据，为今后北斗系统广泛的科研及工程运用做前期准备。研究结果表明，目前多星座接收机还只能接收14颗北斗二代卫星，接收机观测的卫星数据质量以及解算精度与GPS相比存在差距。随着北斗三代全球组网完成后，北斗卫星系统独立解算精度将与GPS相当，北斗系统将在高精度地壳监测与工程运用方面起到重要作用。

参考文献
[1]
杨琰. 北斗卫星导航系统与GPS全球定位系统简要对比分析[J]. 无线互联科技, 2013(4): 114. DOI:10.3969/j.issn.1672-6944.2013.04.087
[2]
Berglund H, Blume F, Estey L H, et al. The Effects of L2C Signal Tracking on High-Precision Carrier Phase GPS Positioning[C]. AGU Fall Meeting, San Francisco, 2010
[3]
Montenbruck O, Schmid R, Mercier F, et al. GNSSSatellite Geometry and Attitude Models[J]. Advances in Space Research, 2015, 56(6): 1015-1029. DOI:10.1016/j.asr.2015.06.019
[4]
中国二代卫星导航系统专项管理办公室.北斗卫星导航系统[EB/OL].[2017-08-08].http://www.beidou.gov.cn/index.html
[5]
Herring T A, King R W, McCluskey S C. Introduction to GAMIT/GLOBK, Release 10.4[R]. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, 2015
[6]
Bos M S, Fernandes R M S, Williams S D P, et al. Fast Error Analysis of Continuous GNSS Observations with Missing Data[J]. Journal of Geodesy, 2013, 87(4): 351-360. DOI:10.1007/s00190-012-0605-0
[7]
Mccaffrey R, Qamar A I, King R W, et al. Fault Locking, Block Rotation and Crustal Deformation in the Pacific Northwest[J]. Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, 2010, 169(3): 1315-1340.
[8]
卢立果. GNSS整数最小二乘模糊度解算理论与方法研究[J]. 测绘学报, 2017, 46(9): 1204.
[9]
黄功文, 王斌, 王延伟. 高精度GPS控制网基线重复性检验与质量分析[J]. 测绘通报, 2011(7): 9-11.
[10]
杨登科, 安向东. 基于GAMIT的GPS基线解类型分析[J]. 测绘地理信息, 2016, 41(5): 25-28.