IGS 昆明站數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估分析*

楊忠祥，周玉萍

(1．云南旅游職業(yè)學(xué)院 國(guó)土資源工程系，云南 昆明 650221;2．云南旅游職業(yè)學(xué)院 評(píng)估建設(shè)辦公室，云南 昆明 650221)

0 引言

1998 年6 月中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)與美國(guó)宇航局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室合作建成了昆明(KUNM)IGS GPS 衛(wèi)星觀測(cè)站。截止2012 年11 月，該站已連續(xù)觀測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)了14 年，取得大量具有科學(xué)價(jià)值的觀測(cè)資料，每天的觀測(cè)資料都按IGA 觀測(cè)網(wǎng)的要求于UTC 1∶00 前發(fā)送至位于JPL 的UNAVCO 數(shù)據(jù)中心存檔，供全世界的大地測(cè)量和地球物理研究者們調(diào)用，資料用于GPS 衛(wèi)星定軌，大地測(cè)量學(xué)和地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等方面的研究。本站歷年觀測(cè)數(shù)據(jù)在IGS 官方網(wǎng)站上供全世界相關(guān)領(lǐng)域的研究者們使用。該站是南中國(guó)大陸較為重要的GPS 站，研究中國(guó)南部大陸的地殼運(yùn)動(dòng)及其可能的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制非常重要，近年來(lái)被國(guó)際重要機(jī)構(gòu)國(guó)際GPS 服務(wù)組織IGS 以及亞太地區(qū)空間地球動(dòng)力學(xué)委員會(huì)(IPSG)聯(lián)測(cè)計(jì)劃所采用［1］。

1 IGS 昆明(KUNM)站觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源及成功天數(shù)統(tǒng)計(jì)

所有觀測(cè)數(shù)據(jù)均來(lái)International GPS Service。昆明(IGS)站自建站以來(lái)實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)，并以天為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每個(gè)觀測(cè)日包含24 h觀測(cè)資料，采樣間隔為30 s，一天共2 880個(gè)歷元。接收機(jī)型號(hào)為:Rogue SNR 8000。

2 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)軟件

本次數(shù)據(jù)評(píng)估分析統(tǒng)計(jì)所采用的軟件為自主開(kāi)發(fā)獲取批量數(shù)據(jù)的程序、MATLAB 以及TEQC。TEQC 軟件由UNAVCO Facility(美國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測(cè)研究大學(xué)聯(lián)合體)研制的為地學(xué)研究GPS 監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)管理服務(wù)的公開(kāi)免費(fèi)軟件［2］，主要功能有格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核。TEQC 應(yīng)用軟件的基本功能分為3 類:數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換(translate)，RINEX 數(shù)據(jù)編輯(edit)和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核(quality check)。其中，格式轉(zhuǎn)換可將許多不同廠家、不同型號(hào)接收機(jī)采集的GPS 原始觀測(cè)文件(二進(jìn)制)轉(zhuǎn)換為GPS 數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)的RINEX 文件;TEQC 具有強(qiáng)大的編輯功能，可以對(duì)已生產(chǎn)的RINEX 文件進(jìn)行編輯，也可以在原始格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX 過(guò)程中進(jìn)行編輯。根據(jù)不同編輯內(nèi)容可以分為4 類，即:確認(rèn)已有的RINEX 文件是否符合標(biāo)準(zhǔn)格式;檢查和編輯(增加、刪除)RINEX 文件頭重要信息;合并多個(gè)RINEX 文件;按要求對(duì)RINEX 文件進(jìn)行數(shù)據(jù)分割［3］。

TEQC 中的質(zhì)量檢核部分對(duì)GPS/GLONASS 偽距和相位觀測(cè)量，以線性組合的方式分析L1、L2的多路徑效應(yīng)，電離層對(duì)L1載波的相位影響，電離層延遲的變化，L1、L2的信噪比以及接收機(jī)的鐘漂和周跳等。

在其結(jié)果摘要文件(* ．00s)中，列出了歷元、觀測(cè)值統(tǒng)計(jì)、觀測(cè)失鎖統(tǒng)計(jì)、觀測(cè)值刪除統(tǒng)計(jì)以及比較重要的結(jié)果參數(shù)MP1、MP2、o/slps 值。其中MP1、MP2分別表示L1、L2載波上的多路徑效應(yīng)對(duì)偽距和相位影響的綜合指標(biāo)，o/slps 表示觀測(cè)值和周跳比［4］，能直接反映出數(shù)據(jù)的周跳情況。MP1、MP2計(jì)算公式為:

式中:p1、p2分別是雙頻偽距觀測(cè)值;φ1、φ2為相位觀測(cè)值。觀測(cè)值和周跳比以另外一種形式CSR 來(lái)表示:

結(jié)果文件* ．ion、* ． iod 分別是觀測(cè)時(shí)段的電離層延遲與變率。則:

式中:λ1、λ2表示波長(zhǎng);L1、L2為雙頻載波相位觀測(cè)值;n1、n2為整周模糊度;m1、m2為雙頻載波相位觀測(cè)值的多路徑效應(yīng);α 為L(zhǎng)1、L2的頻率的平方比(α = f21/f2

2 )。GPS 觀測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量反映在MP1、MP2、CSR 值上。其中，質(zhì)量檢核可以反映出GPS 數(shù)據(jù)的電離層延遲、多路徑影響、接收機(jī)周跳、衛(wèi)星信號(hào)信噪比等信息。

3 IGS 昆明(KUNM)站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

電離層延遲、多路徑效應(yīng)、接收機(jī)噪聲是影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素［5］，以下將對(duì)這些影響因子加以說(shuō)明:

數(shù)據(jù)收集起始時(shí)間為2011 年1 月～2012 年5 月，共16 個(gè)月。圖1 中不同線型分別表示IGS 昆明站每天采集得到的總數(shù)據(jù)量和實(shí)際有效采集的數(shù)據(jù)，X 軸表示時(shí)間。圖1 中數(shù)據(jù)起伏較大主要原因是2011 年8 月26 日數(shù)據(jù)采集總量為82 772，2012年4 月27 日為89 249，而實(shí)際有效數(shù)據(jù)僅為12 964和12 732，較其它單天數(shù)據(jù)有較大出入，經(jīng)分析原因是2011 年8 月26 日及2012 年4 月27 日這兩天部分?jǐn)?shù)據(jù)采集缺失，利用TEQC 軟件無(wú)法提取分析。圖2 顯示IGS 昆明站數(shù)據(jù)的有效使用率，從中不難看出該站有效數(shù)據(jù)使用整體平穩(wěn)，9 月份前并無(wú)較大異常。經(jīng)分析得知部分?jǐn)?shù)據(jù)采集缺失的這兩天數(shù)據(jù)質(zhì)量整體偏差，周跳及多路徑影響較為嚴(yán)重。圖3 為IGS 昆明站的有效觀測(cè)值與發(fā)生周跳次數(shù)的比值，該值越大說(shuō)明數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，o/slps 值在2011 年成正玄波圖像顯示，即1 月份周跳偏大，2 月至3 月份周跳較少，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較好。3 月末至6 月上旬，周跳成偏大的趨勢(shì)，7，8 月份數(shù)據(jù)質(zhì)量整體較好，之后數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯下滑的趨勢(shì)。圖4 為昆明站多路徑效應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析圖，圖中MP1、MP2則分別表示L1、L2波段上的多路徑效應(yīng)對(duì)偽距和相位影響的綜合指標(biāo)。自2011 年1 月～2012 年5 月以來(lái)多路徑效RMS 變化相對(duì)平穩(wěn)，其中，3、4、5 月份MP1，MP2值起伏較大。

就單天時(shí)段而言，圖5 為01 號(hào)衛(wèi)星MP1及MP2多路徑誤差，從圖中可以得知MP1＜3 m，個(gè)別大于3 m。MP2＜8 m，此顆衛(wèi)星的多路徑影響較大。圖6 為接受信號(hào)的信噪比，其值在33～60 m之間。圖7 是01 號(hào)衛(wèi)星的電離層延遲誤差及電離層延遲變化，在1 800個(gè)歷元有一個(gè)“I”標(biāo)記。

4 結(jié)論

本文分析統(tǒng)計(jì)了2011 年1 月～2012 年5 月IGS 昆明站所采集的數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看:每月交替期間數(shù)據(jù)采集量出現(xiàn)較大的波動(dòng);2011 年4 ～6 月、8 ～10 月等季節(jié)交替期間數(shù)據(jù)質(zhì)量出現(xiàn)較大波動(dòng)。因此建議聯(lián)測(cè)IGS 昆明站進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)，盡量選在每年9 月至次年的2 月，因?yàn)樵摃r(shí)段數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠。就單天時(shí)段而言，各種誤差影響與衛(wèi)星高度角有很大關(guān)系，起始觀測(cè)時(shí)段的數(shù)據(jù)應(yīng)盡量避免參與計(jì)算。同時(shí)，考慮到地處IGS 昆明(KUNM)站上空為中低緯度，雙駝峰區(qū)電離層及對(duì)流層對(duì)GPS 信號(hào)延遲的影響［6］，盡量避免在中午12 點(diǎn)至下午3點(diǎn)前后活動(dòng)高峰期進(jìn)行觀測(cè)。

圖7 01 號(hào)衛(wèi)星電離層延遲誤差及電離層延遲變化率Fig．7 The error and change rate of ionospheric delay for Satellite No．1

［1］ 繆元興． 昆明IGS 站GPS 觀測(cè)時(shí)間系列［J］． 天文研究與技術(shù)，2005，2(3):204 ～207．

［2］ 范士杰，郭際明，彭秀英．TEQC 在GPS 數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用與分析［J］．測(cè)繪信息與工程，2004，29(2):33 -35．

［3］ 郭淑艷，付常玲，馬娜．應(yīng)用TEQC 軟件對(duì)GPS 載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析［J］．科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2006(4):50．

［4］ 楊哲，戴吾蛟，余文坤，廖建平．不同觀測(cè)環(huán)境中基于TEQC 的GNSS 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析［J］．大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010(5):135-139．

［5］ 方民，張愛(ài)民．使用TEQC 軟件對(duì)GPS 靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析和編輯［J］．黑龍江科技信息，2011(14):84．

［6］ 陳鵬．GNSS 電離層層析及震前電離層異常研究［J］． 測(cè)繪學(xué)報(bào)，2013，42(3):474．