复杂桥梁环境下的北斗数据质量监测与分析

田江博

(中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 71000)

北斗卫星导航系统(BDS)是根据我国发展以及安全需要自主设计研发的导航系统，是可以向全球提供高精度、全天时、全天候的导航与定位服务[1-2]。北斗系统根据我国基本国情分为三步走战略，第一步在2000年完成双星系统的建设、第二步在2012年底完成区域系统的建设，第三步在2020年完成全球系统的建设[3-4]。北斗系统的星座是混合星座，有GEO、MEO和IGSO三种轨道卫星[5]。北斗数据所受到的各种误差影响与GPS相类似，主要有卫星端、传播路径以及接收机端所产生的误差，其中大部分误差都可以通过模型或者差分技术进行消除，而受周围环境以及传播路径上误差的影响很难被消除，特别是复杂环境下的北斗数据更容易受到误差的影响，从而影响北斗的数据质量。若传播路径上噪声以及周围环境影响较大，则会导致信号强度变弱、数据完整率变低以及多路径效应变大，那么采集到的北斗变形监测数据定位精度降低，达不到桥梁变形监测精度的要求。而对于北斗数据质量监测问题，国内部分学者对其进行了研究，刘青锋等[6]对北斗双频数据进行质量分析发现，北斗GEO、IGSO和MEO的多路径误差逐渐增大，GPS与北斗MEO卫星的伪距多路径误差相差不大；陈明等[7]基于国家基准网对北斗数据质量进行分析，发现北斗数据质量与高度角和信号频率有关，相同环境下北斗数据质量在多路径误差方面优于GPS数据质量；潘林等[8]对比分析了北斗与GPS数据质量，发现在树林中采集到的数据质量优于空旷地区的，且北斗优于GPS。目前北斗数据质量分析都是常规环境下进行的，没有对工程实例复杂环境下的北斗数据质量进行分析。

本文则针对桥梁变形监测实例复杂环境下的北斗数据，从数据完整率、信噪比以及多路径等方面评估了北斗数据质量，并且详细分析了周围复杂环境对北斗数据质量的影响。

1 数据质量评估指标

评估北斗数据质量的常规指标主要有数据完整率、信噪比以及多路径等，接下来对这三个常规指标进行详细介绍。

1.1 数据完整率

数据完整率是表示北斗数据完整情况的重要指标，是评估北斗数据质量的一项重要指标。是北斗实际观测值个数与理论观测值个数的比值，关系表达式如下[9]：

(1)

式中，DIS表示北斗的数据完整率指标；Ai表示第i颗卫星在高度角10°以上连续弧段理论观测历元数；(Bmin)i表示第i颗卫星在高度角10°以上连续弧段实际观测历元数最小值。

1.2 信噪比

信噪比是信号强度与噪声的比值，信噪比越强表明信号强度越高，质量越好，是北斗数据质量评估的重要指标。每颗卫星的信噪比可以直接从观测文件中获取，将其转换为标准信号强度表示如下：

sn_rnx=MIN(MAX(INT(sn_raw),1),9)

(2)

式中，sn_raw表示原始信号强度；sn_rnx表示标准化信号强度；INT表示取整。

1.3 多路径

多路径效应是接收机接收到的信号是多种折射信号的叠加，从而导致的延迟效应，也是评估北斗数据质量的一项重要指标。多路径一般与高度角有关，表达式如下(Estey和Meertens 1999)[10]：

(3)

式中,i和j表示载波相位频率；MPj表示伪距多路径组合；λi和λj表示波长；fi和fj表示频率；φi和φj表示载波相位观测值；Pj表示伪距观测值；MPj中包含整周模糊度，整周模糊度中吸收了硬件延迟等误差，统一由Bij表示。

2 实测数据分析

本文采用的分析数据为国内某大型现役桥梁变形监测实测数据，此桥梁设有人行通道，为了保证接收机的稳定性，将接收机固定在桥梁的围栏上，接收机采用的是华测多模双频GNSS接收机，可以接收到包含北斗在内的多个系统数据，采用间隔为1 s，卫星截止高度角设置为15°，监测时长为24 h。限于篇幅原因，本文只选取了位于跨中监测点的部分北斗卫星监测数据进行分析， 选取人流量以及车流量较大的12 h(早7：00-晚7：00)进行分析，为了体现不同星座复杂桥梁环境下的北斗数据质量，选取GEO星座下的C04，IGSO星座下的C07，MEO星座下的C12。

2.1 数据完整率

如图1所示，北斗2个频率的不同星座卫星的数据完整率都在91%左右, 相比于正常情况下的数据完整率是较低的，这是因为在时间段内，周围车流量以及人流量较多，对卫星信号的接收产生较大的影响，导致数据完整率较低。

图1 数据完整率

2.2 信噪比

如图2～图4所示，北斗卫星的信噪比受周围环境的影响较大，B2频率的信噪比受到噪声的影响大于B1频率的信噪比。结合信噪比分析图和实地记录信息情况可以发现，C04卫星的B1的频率的信噪比受影响最大为9 dB-Hz， B2的频率的信噪比受影响最大为5 dB-Hz。C07卫星的B1的频率的信噪比受影响最大为8 dB-Hz， B2的频率的信噪比受影响最大为7 dB-Hz。C12卫星的B1的频率的信噪比受影响最大为10 dB-Hz， B2的频率的信噪比受影响最大为5 dB-Hz。

图2 C04信噪比

图3 C07信噪比

图4 C12信噪比

2.3 多路径

如图5～图7所示，北斗卫星的多路径都在2 m以内，随着时间的增加多路径逐渐减小，但是部分卫星频率多路径存在系统偏差。结合多路径分析图以及实地记录信息可以发现，当接收机周围人流量或者车流量增加时，北斗卫星的多路径就会发生跳变，C04卫星B1的频率的多路径受影响最大为0.8 m， B2频率的信噪比受影响最大为06 m。C07卫星B1频率的信噪比受影响最大为0.4 m， B2频率的信噪比受影响最大为0.2 m。C12卫星B1频率的信噪比受影响最大为0.2 m， B2频率的信噪比受影响最大为0.2 m。

图5 C04多路径

图6 C07多路径

图7 C12多路径

3 结 论

通过对复杂桥梁环境下的北斗数据质量分析发现，北斗数据质量受周围环境影响较大，特别是在车流量和人流量增加的情况下，具体结论如下：

(1)在车流量和人流量较大时，北斗数据完整率较低，但是满足数据处理的最低要求。

(2)北斗卫星信噪比受周围环境影响最大为9 dB-Hz，B2频率受到的影响小于B1频率，MEO卫星受到的影响最小。

(3)北斗卫星多路径受周围环境影响最大为0.8 m，B2频率受到的影响小于B1频率，MEO卫星受到的影响最小。