论文总字数：22185字

目 录

1 引言 1

1.1 GNSS系统 1

1.2国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 3

2 GNSS数据质量检核指标 3

2.1 数据完整性 4

2.2 多路径效应 4

2.3 周跳 4

2.4 电离层延迟 5

2.5 信噪比 5

2.6 钟差 5

3 周跳探测与修复方法 6

3.1高次差法周跳探测 6

3.2 多项式拟合法周跳修复 7

4 BQC软件设计与有效性验证 8

4.1 TEQC对GPS数据质量检查的数学原理 9

4.1.1 MP1、MP2 9

4.1.2 每周跳观测值个数(O/SLPS) 10

4.2 软件设计 10

5 数据质量检查与分析 16

5.1 数据来源说明 16

5.2 RINEX 2.10版本GPS/GLONASS数据质量分析 16

5.3 RINEX 3.02版本BDS数据质量分析 20

6 总结 22

参考文献 23

致谢 24

1 引言

1.1 GNSS系统

全球卫星导航定位系统已广泛应用于授时、通信、军事、测绘、交通、农业、林业、渔业、畜牧业、矿产资源勘探与开发、环境调查与保护以及灾害防治等众多方面。1992年05月，国际民航组织(ICAO)在未来航空导航系统会议上做了如下定义：GNSS是一种全球性的位置与时间测量系统，其包括多个卫星导航定位系统、接收机终端设备以及完好性检测系统^[1]。目前全球GNSS主要的成员有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO和中国的北斗卫星导航定位系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）。随着现代科技的快速发展和大数据时代的到来，未来的全球导航卫星系统还将涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统及其增强系统，终将形成一个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。

GNSS由观测卫星、地面监控站和用户接收部分组成。GNSS系统的定位方式按照待测点的运动状态可分为静态定位和动态定位；按照待测点在协议地球坐标系中的位置可分为绝对定位(单点定位)、相对定位和差分定位。GNSS定位原理为测量学中空间距离后方交会，需要至少四颗卫星的观测信息，其获取地面点位准确位置信息一般通过载波相位、伪距以及伪距载波观测值的线性组合三种方式来实现。利用测距码测定的卫星到地面测站的距离由于存在各种误差的影响并不完全是卫地距，称为伪距，即真空中的光速与观测卫星信号传播所用时间的积。载波相位测量将载波作为测距信号，其卫地距为载波波长与载波信号在卫星处和接收机处的相位差的乘积，由于载波波长较测距码短，其定位精度一般比测码伪距高2～3个数量级^[2]。

按照误差来源可以将GNSS测量中的误差分为三类：①空间段，包括卫星星历误差、卫星钟差和天线相位缠绕改正。②与接收设备有关的误差，包括观测误差、接收机钟误差、天线相位中心的位置偏差。③信号传播过程中的误差，主要包括大气层对信号的散射、折射、反射的影响。除此之外，地球自转以及相对论效应也会造成GNSS测量的误差^[3]。

表1 GNSS四大系统比较

续表1

1.2国内外研究现状

目前，市场上有种类繁多的测量型GNSS接收机，包括南方测绘、中海达、华测、徕卡、天宝、拓普康、Ashtech等众多国内外知名品牌。虽然各生产厂商都能将各自的产品数据存储格式转换为通用的RINEX格式(Receiver INdependent EXchange forma)，但多种类的数据格式要想实现批处理并不容易。TEQC是当前国内外使用最多的GPS/GLONASS观测数据质量评估软件，它是由美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体(UNAVCO Facility)基于C/C 语言编写的控制台应用程序，主要功能包括格式转换、数据编辑和质量检查，通过对GPS / GLONASS数据的质量检测，可以获得8个子文件和1个汇总文件。但它只局限于处理 GPS /GLONASS 的观测数据，不能处理中国北斗观测数据和欧盟GALILEO数据，也不能处理IGS最新发布的RINEX 3.XX版本的数据。TEQC是非交互式操作，鉴于TEQC 对GPS观测数据质量检查的可视化不够理想，贾莹媛等利用MATLAB二次开发编制TEQCPLOT程序模块，能够在Windows界面下直接运行程序打开TEQC质量检查生成的分析文件，实现质量检查结果的图形显示和可视化查询^[4]，将GPS观测数据中存在的电离层延迟和多路径效应的影响定量地表示出来。罗伏军等基于Visual C#2010对TEQC进行界面开发，使用进程Execute类实现在Windows下的TEQC可视化封装，使其具备良好的交互特性及扩展性^[5]。

Visual C#是微软公司随同Visual Studio .NET同时推出的一种全新的完全面对对象语言，它直接与COM(组件对象模型)集成，与使用.NET Framework的许多其他语言兼容，融合了Visual Basic的高效易用和C/C 的灵活强大，使其成为理想构建各种组件的选择，是广大程序员创建图形用户界面及事件驱动型应用程序最常使用的编译软件。

我国的北斗卫星导航系统由5个地球静止轨道(GEO)、5个倾斜的地球同步轨道(IGSO)和4个中地球轨道(MEO)组成。随着我国北斗三号卫星的发射，全球组网开始，未来我国北斗卫星导航卫星服务系统将实现全球定位服务，目前已建成北斗二号系统正式投入运营向亚太地区提供服务，初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精10纳秒。白征东介绍了北斗数据的质量检查内容及其实现方法，对周跳探测与修复、电离层影响、多路径效应等质量检查内容进行了深入的算法研究。通过研究发现，卫星信噪比随着卫星高度角的减小而降低，电离层延迟和电离层延迟变化率会逐渐变大，多路径影响也会逐渐加重^[6]。叶世荣等针对BDS在地球同步轨道、倾斜地球同步轨道和中地球轨道上卫星在轨道重复周期中的多路径误差和多路径衰减特性，提出了一种基于观测域滤波并独立考虑每颗卫星重复周期的多路径平滑处理方法^[7]，利用该方法处理后的BDS定位精度明显提高，且组合系统精度要高于单一系统精度。 吴丹等通过研究GPS、 BDS、GLONASS和GALILEO多星座数据质量检核方法，用C语言编写完成4个系统的数据质量检测软件QC，并用全球连续监测评估系统iGMAS的观测数据对该软件的正确性进行了验证^[8] ，并在此基础上分析了BDS的GEO和IGSO多路径以及各星座信噪比的特点。王趁香通过双频无电离层组合消除电离层一阶误差的影响，实现对BDS静态单点定位算法研究分析，得到BDS静态精密单点定位精度可达到分米至厘米级，且适当延长观测时间能够有效提高定位精度^[9]。因此国内外针对北斗观测数据所进行的质量检查研究工作相对较少，而且目前还没有对外发布任何一款免费的数据质量检查软件。

1.3 本文主要研究内容

GNSS观测不可避免地要受到外界环境干扰而影响其导航定位精度，良好的数据质量是进一步位置解算和高精度定位的基础，获得无周跳的原始载波数据是精密导航定位的前提。本文根据对国内外研究现状的了解和分析，基于GNSS定位原理与方法，深入研究了GNSS测量与数据处理中数据质量检查的各种指标，并对文中采用的周跳探测方法的数学模型及适用范围加以说明。然后类比TEQC对GPS观测数据检查的数学原理，基于双频伪距和载波实测数据，使用组合高次差法与多项式拟合法的方法，对学校CORS站NXDX观测数据通过Visual C#2010编写程序，进行数据质量检查，将自编程序处理结果与TEQC批量处理（.bat）的NXDX观测数据进行比较验证软件的可行性，最后使用自主编写的程序处理北斗新的RINEX 3.XX版本观测数据。

2 GNSS数据质量检核指标

数据质量检核是评价数据观测质量好坏的常用方式，此项工作一般在数据预处理中完成，多通过观测环境的选择和数据处理过程中的质量控制来实现。利用TEQC处理GPS/GLONASS数据得到的.S汇总文件中使用的四个指标为：数据使用率、MP1、MP2、O/SLPS。本文通过对大量文献的阅读，将常用的数据质量指标分为三类： 反映观测数据完整程度的指标、直接反映误差影响情况的指标、与卫星位置有关的指标。反映观测数据完整程度的指标主要包括： 理论观测历元数与实际观测历元数、具有完整观测值的历元数、观测卫星个数和缺失卫星个数等。直接反映误差影响情况的指标主要有： 多路径效应指标、每周跳观测值个数(O/SLPS )、接收机钟差、信噪比(SNR)等。与卫星位置有关的指标主要包括： 卫星高度角、卫星方位角、卫星几何分布情况等^[10]。

2.1 数据完整性

对任意测站任意时间段的观测数据，主要从历元数量和观测值数量两个方面探讨数据的完整性。历元完整比例等于实际观测历元数与理论历元总数的百分比，由于本次使用的观测数据观测持续时间均在一天以内，通过引入日积秒的概念，计算各观测历元时刻的日积秒，理论历元总数可以根据RINEX观测文件头文件中最后一个观测记录的时刻与第一个观测记录的时刻差来获取，实际完好的观测历元数为观测文件中历元行总数，可以通过循环读取数据获得。无效观测值比例为完好观测值总数与无效观测值的百分比，区别观测值的有效性的指标为对应历元时刻观测卫星的高度角，卫星高度角度低于10°即为无效观测值。当且仅当历元完好比例大于95%，无效观测值比例小于5%时，可视为该观测数据完整，可进行下一步的数据处理预处理工作，反之则否。

2.2 多路径效应

多路径效应也是反映观测数据质量的重要指标，对于固定的测站来说，多路径效应的变化只与卫星位置有关。目前比较常用的多路径消除方法是使用观测值的线性组合计算，但计算结果中也包含了接收机噪声和电离层残差的影响。根据IGS数据质量检测结果表明，三分之二的IGS观测站MP1、MP2的平均值分别小于0.5、0.75；对于CORS站点一般要求MP1、MP2的平均值分别小于0.4、0.5，且MP1、MP2越小，说明抗多路径效应能力越强。

2.3 周跳

整周跳变(以下简称周跳)是载波相位测量中普遍存在的问题，完整的载波相位测量的实际观测值是由整周计数、整周模糊度和不足整周的小数部分两部分组成，正确的模糊度是解求卫地距的重要保证，用户需通过各种后处理方法(静态定位中常用的有取整法、置信区间法、模糊函数法等)解求载波的整周未知数后，才能获得高精度的定位结果。

常见的周跳产生的原因有很多，大致可分为四类：第一类，树木、建筑物、桥梁、山峰等障碍物阻挡而引起的卫星信号的暂时中断；第二类，由于电离层条件差、多路径效应、接收机的强振荡或卫星高度过低而引起的卫星信号的信噪比过低。第三类，接收机发生故障导致信号的错误处理，使基准信号无法和卫星信号混频产生差额信号，或虽产生了差额信号但无法正确计数。第四类，外界干扰或接收机所处的动态条件恶劣，如在动态观测时，接收机载波跟踪器无法锁定信号而引起信号的暂时失锁。此外，卫星振荡器的故障也可能引起周跳^[3]。

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