東海區(qū)海洋觀測(cè)站GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核和分析

丁 超，周興華，王朝陽(yáng)，周東旭，張化疑，單 瑞

（1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071）

東海區(qū)海洋觀測(cè)站GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核和分析

丁 超1,2，周興華1,2，王朝陽(yáng)1,2，周東旭2，張化疑2，單 瑞3

（1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071）

利用TEQC軟件對(duì)中國(guó)沿海GNSS業(yè)務(wù)化觀測(cè)系統(tǒng)東部海區(qū)20個(gè)觀測(cè)站2009-2015年的GPS連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，分析多路徑效應(yīng)（MP）與周跳比（o/slps）和信噪比（SNR）的相關(guān)性。分析結(jié)果表明：受接收機(jī)性能老化影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量整體呈下降趨勢(shì)；多路徑效應(yīng)與周跳比和信噪比存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)；觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)解算結(jié)果精度有一定影響，剔除多路徑效應(yīng)較大的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)可有效提高解算精度。

TEQC；GPS；數(shù)據(jù)質(zhì)量分析；多路徑效應(yīng)；信噪比

GPS在觀測(cè)過(guò)程中會(huì)受到一些誤差源的干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。數(shù)據(jù)質(zhì)量不僅會(huì)影響解算精度，而且還可導(dǎo)致基線解算失敗，因此，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是作業(yè)中一項(xiàng)不可缺少的環(huán)節(jié)[1-2]。目前，數(shù)據(jù)質(zhì)量分析受到相關(guān)學(xué)者的密切關(guān)注，李軍等[3]對(duì)東北亞地區(qū)52個(gè)GPS臺(tái)站4 a的觀測(cè)資料進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。魏二虎等[4]研究三級(jí)GPS大地控制網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢測(cè)方法，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)定。陳超賢等[5]對(duì)福建連續(xù)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)不同時(shí)期建設(shè)的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。鄭廣偉等[6]提出了采用分級(jí)評(píng)分的方法對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)評(píng)價(jià)。劉志敏等[7]選用L1偽距多路徑效應(yīng)、L2偽距多路徑效應(yīng)、L1載波的信噪比、L2載波的信噪比、周跳比5個(gè)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)CORS站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核，并用Bernese軟件驗(yàn)證指標(biāo)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估的正確性。

在高精度GPS測(cè)量中，多路徑誤差成為一個(gè)必須考慮的誤差源[8]。中國(guó)沿海GNSS業(yè)務(wù)化觀測(cè)系統(tǒng)自2009年建成至今已連續(xù)運(yùn)行7 a，觀測(cè)站數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)呈逐年遞增的趨勢(shì)。為了解GPS觀測(cè)站觀測(cè)環(huán)境好壞、接收機(jī)老化對(duì)解算結(jié)果的影響，本文對(duì)東海區(qū)20個(gè)觀測(cè)站近7 a的GPS連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)，分析多路徑相關(guān)指標(biāo)和數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)解算結(jié)果的影響，為設(shè)備維護(hù)、數(shù)據(jù)后處理提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

自2009年始，國(guó)家海洋局在沿海56個(gè)海洋觀測(cè)站陸續(xù)增設(shè)GNSS觀測(cè)設(shè)施（GNSS接收機(jī)類型TOPCON TPS NET-G3，天線類型TPS CR.G3），建立了中國(guó)沿海GNSS業(yè)務(wù)化觀測(cè)系統(tǒng)[9]。本文收集了該系統(tǒng)東海區(qū)20個(gè)觀測(cè)站2009—2015年的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。臺(tái)站分布見(jiàn)圖1。

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前，GPS觀測(cè)站數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測(cè)普遍采用由UNAVCO(university NAVSTAR consortum)開(kāi)發(fā)研制的TEQC軟件包。TEQC是一個(gè)操作簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大的GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，主要包含數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯以及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)3個(gè)功能[10]。本文從數(shù)據(jù)可用率（DAR）、L1波段上的多路徑效應(yīng)（MP1）、L2波段上的多路徑效應(yīng)（MP2）、觀測(cè)值與周跳比（o/ slps）、信噪比（SNR）5個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)GPS觀測(cè)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量。其中，DAR反映接收機(jī)接收信號(hào)的穩(wěn)定性，MP1、MP2反映L1和L2載波上的偽距和相位綜合多路徑影響，o/slps反映觀測(cè)數(shù)據(jù)周跳情況，信噪比是指接收的載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值(dB/ Hz)，可以用來(lái)衡量測(cè)距信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣[11]。各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

圖1 東海區(qū)GPS海洋觀測(cè)站分布

式中：N1表示觀測(cè)時(shí)間內(nèi)有效數(shù)據(jù)的歷元個(gè)數(shù)；N表示觀測(cè)時(shí)間內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)總歷元數(shù)。

式中：P1，P2分別為L(zhǎng)1，L2載波上測(cè)得的偽距觀測(cè)值；φ1，φ2分別為L(zhǎng)1，L2載波上的相位觀測(cè)值；a為L(zhǎng)1，L2波段的頻率f1和f2之比的平方。

式中：C表示接收的載波信號(hào)強(qiáng)度；N0表示噪聲強(qiáng)度。

2 檢測(cè)結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

利用TEQC軟件對(duì)東海區(qū)2009-2015年20個(gè)觀測(cè)站每天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果。由于篇幅所限，表1列出統(tǒng)計(jì)的部分臺(tái)站近7 a DAR，o/slps，MP1，MP2的年平均值。

從表1可見(jiàn)，東海區(qū)大部分觀測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量比較穩(wěn)定，DAR年均值除朱家尖在82%左右，其余各站均在85%以上，且各站多年DAR年均值變化不大，接收機(jī)信號(hào)比較穩(wěn)定，滿足《CH/T 2011-2012全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》和《中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)范要求。但隨觀測(cè)時(shí)間增加，觀測(cè)站o/slps值呈現(xiàn)不同程度的下降，MP1、MP2年均值呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)，表明多路徑效應(yīng)發(fā)生明顯、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量變差。為更清晰地顯示東海區(qū)2009-2015年期間的數(shù)據(jù)質(zhì)量變化情況，以平潭站為例，圖2給出了該站年均DAR，o/slps，MP1，MP2統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖2 平潭站2009-2015年數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

從圖2可見(jiàn)，平潭站2009-20015年的數(shù)據(jù)完整性在80%附近，MP1年均值小于MP2年均值，MP1、MP2整體呈現(xiàn)逐年上升的現(xiàn)象，個(gè)別年份受太陽(yáng)磁暴等影響MP值偏大。周跳比年均值呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，與MP1、MP2存在較強(qiáng)的相關(guān)性。

為了解周跳比逐年下降、多路徑逐年上升的原因，對(duì)比分析了平潭站、崇武站更換接收機(jī)前后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)。平潭站于2015年12月29日更換接收機(jī)，崇武站于2015年12月10日更換接收機(jī)，接收機(jī)類型均為T(mén)OPCON TPS NET-G5，未更換接收機(jī)天線和電纜。對(duì)比分析2015年1月和2016年1月兩個(gè)觀測(cè)站逐天的MP1、MP2、o/slps時(shí)間序列，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3～圖4所示。

從圖3、圖4可見(jiàn)，平潭、崇武站2015年1月觀測(cè)數(shù)據(jù)的MP1均值分別為0.94 m，0.45 m，MP2均值為1.57 m，0.65 m，MP值跳動(dòng)較大，MP1最大值分別達(dá)到16.89 m，0.71 m，MP2最大值達(dá)到26.32 m，

0.97 m，表明更換接收機(jī)前多路徑效應(yīng)明顯；更換接收機(jī)后MP1分別維持在0.40 m，0.37 m左右，MP2在0.50 m，0.40 m左右，數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量明顯提升，且沒(méi)有大的波動(dòng)。對(duì)比分析平潭、崇武站更換接收機(jī)前后相同月份的數(shù)據(jù)，消除了測(cè)站周邊環(huán)境和季節(jié)等因素造成的影響。通過(guò)對(duì)更換接收機(jī)前的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果可得出：接收機(jī)性能老化是造成周跳比逐年下降、多路徑逐年上升的主要原因。不同區(qū)域接收機(jī)老化程度不同，其原因有待進(jìn)一步分析。

表1 東海區(qū)部分海洋站數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)（DAR單位：%，MP1、MP2單位：m）

圖3 平潭站更換接收機(jī)前后MP1，MP2，o/slps時(shí)間序列

圖4 崇武站更換接收機(jī)前后MP1，MP2，o/slps時(shí)間序列

2.2 檢測(cè)指標(biāo)相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)東海區(qū)各觀測(cè)站多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)與周跳比和信噪比存在相關(guān)性。針對(duì)該現(xiàn)象，本文分別對(duì)多路徑效應(yīng)與周跳比和信噪比的相關(guān)性進(jìn)行了分析。

為此求取了多路徑和周跳比的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)性系數(shù)的計(jì)算方法是將東海區(qū)20個(gè)GPS觀測(cè)站每個(gè)站近7 a的MP2值、o/slps值作為一對(duì)相關(guān)性時(shí)間序列。計(jì)算并統(tǒng)計(jì)了MP2和o/slps的相關(guān)性系數(shù),如表2所示。

表2 東海區(qū)GPS觀測(cè)站MP2和o/slps相關(guān)系數(shù)

表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，東海區(qū)20個(gè)GPS觀測(cè)站MP2和o/slps相關(guān)性系數(shù)有15個(gè)達(dá)到-0.80以上，最小值為連云港站-0.97，最大值為廈門(mén)站-0.38，均值為-0.82，屬于高度負(fù)相關(guān)。

利用平潭站2016年第3天的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了信噪比與多路徑效應(yīng)的相關(guān)性，圖5～圖6分別給出了平潭站2016年第3天PRN 32衛(wèi)星多路徑、信噪比隨時(shí)間變化圖。

圖5 PRN 32衛(wèi)星MP2隨時(shí)間變化圖

圖6 PRN 32衛(wèi)星SN2隨時(shí)間變化圖

從圖5和圖6可見(jiàn)，PRN 32的MP2值在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的起止時(shí)段較大且變化劇烈，對(duì)應(yīng)相同歷元SN2值較低；在MP2值最小處對(duì)應(yīng)SN2峰值。兩者呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性。為明確MP2、SN2隨衛(wèi)星高度截止角的變化情況，圖7給出了MP2、SN2隨衛(wèi)星高度角變化的大小。

圖7 MP2,SN2大小隨衛(wèi)星高度角變化圖

從圖7可見(jiàn)，隨著高度角的增加，MP2值逐漸下降，SN2值逐漸上升，低于30°時(shí)變化明顯。MP2值在小于30°的高度角時(shí)較大，SN2值在小于30°的高度角時(shí)較低，MP2值最小值對(duì)應(yīng)的高度角正是SN2值的最大值，兩者呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。即當(dāng)發(fā)生多路徑時(shí)，SNR隨衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量的降低而降低。

綜上所述，多路徑效應(yīng)作為數(shù)據(jù)處理中的一個(gè)重要誤差源，與周跳比和信噪比相關(guān)性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理時(shí)可從相關(guān)性方面對(duì)多路徑進(jìn)行改正以提高數(shù)據(jù)解算精度。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

為分析數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)解算結(jié)果精度的影響，采用Bernese軟件聯(lián)合觀測(cè)網(wǎng)周邊的WUHN、SHAO、TNML、DAEJ IGS站對(duì)東海區(qū)觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，制定3種方案進(jìn)行數(shù)據(jù)解算分析研究：第一種方案選用2015年1月各觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；第二種方案利用2016年1月觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，平潭站觀測(cè)數(shù)據(jù)為更換接收機(jī)后的數(shù)據(jù)；第三種方案是除平潭站外的觀測(cè)站仍然選用2015年1月的原始數(shù)據(jù)，平潭站選用剔除MP值大于2.0 m的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)。利用上述3種方案對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，分別計(jì)算并統(tǒng)計(jì)了平潭站在3種方案下解算結(jié)果在X，Y，Z方向坐標(biāo)與坐標(biāo)均值的偏差，結(jié)果如圖8所示。為了更清楚地顯示平潭站在3種方案下的解算結(jié)果精度，對(duì)X，Y，Z方向坐標(biāo)與坐標(biāo)均值偏差圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

圖8 3種方案X，Y，Z方向坐標(biāo)與坐標(biāo)均值偏差圖

表3 3種方案X，Y，Z方向坐標(biāo)與坐標(biāo)均值偏差統(tǒng)計(jì)

從圖8和表3可見(jiàn)，方案一的數(shù)據(jù)處理結(jié)果坐標(biāo)分量各個(gè)統(tǒng)計(jì)值均大于方案二、三結(jié)果，表明觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響數(shù)據(jù)解算質(zhì)量；方案一的2015年1月原始數(shù)據(jù)MP值的最大值與數(shù)據(jù)解算坐標(biāo)殘差序列的峰值相對(duì)應(yīng)，表明在數(shù)據(jù)質(zhì)量偏離閾值較大時(shí)對(duì)解算結(jié)果有明顯影響；方案三中剔除MP值較大的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)后坐標(biāo)精度明顯提升，說(shuō)明雖然Bernese軟件能較好地探測(cè)和修復(fù)GPS周跳，但在衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)MP值較大的情況下，需對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制以提高解算結(jié)果精度。

4 結(jié)論

本文對(duì)中國(guó)沿海GNSS業(yè)務(wù)化觀測(cè)系統(tǒng)東部海區(qū)20個(gè)GPS觀測(cè)站2009-2015年的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，探究觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)(MP)與周跳比(o/slps)、信噪比(SNR)的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上分析觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)解算結(jié)果精度的影響。結(jié)果表明：受接收機(jī)性能老化影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量整體呈下降趨勢(shì)，造成個(gè)別臺(tái)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量不符合相關(guān)規(guī)范要求；MP與o/slps和SNR存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)：MP、o/slps的相關(guān)系數(shù)為-0.82，MP、SNR值隨衛(wèi)星高度角增加呈不同的變化趨勢(shì)；通常情況下觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)解算結(jié)果精度的影響不大，對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)可采用剔星方法來(lái)提高解算結(jié)果精度。

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Quality Checking and Analysis on GPS Data in the East China Sea Observing Station

DING Chao1,2,ZHOU Xing-hua1,2,WANG Zhao-yang1,2,ZHOU Dong-xu2,ZHANG Hua-yi2,SHAN Rui3
1.Geomatic College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,Shandong Province,China; 2.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,Shandong Province,China; 3.Qingdao Institute of Marine Geology,China Geological Survey,Qingdao 266071,Shandong Province,China

In this paper,the quality of GPS continuous observation data from the Chinese coastal GNSS operational observing system during the years 2009-2015 is checked with the TEQC software,and the analysis on the correlation is conducted between muti-path (MP)and cycle slip (o/slps)and signal to noise ratio(SNR) Correlation.The results show that,influenced by the aging effects of receiver performance,the overall quality of observational data shows a downward trend.A strong negative correlation exists between MP and o/slps and SNR, and the quality of observation data will pose effects on the accuracy of calculation results.The precision of the solutionin can be effectively enhanced through eliminating the satellite data with larger multipath effects.

TEQC;GPS;data quality analysis;multi path effect;SNR

P228

A

1003-2029（2017）02-0089-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.015

2016-08-04

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目——自主星載高度計(jì)海面測(cè)高在軌絕對(duì)定標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)研究(2014DFA21710)；國(guó)家海洋局GNSS業(yè)務(wù)運(yùn)行項(xiàng)目資助；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41406115）；青島市市南區(qū)科技發(fā)展資金資助項(xiàng)目（2016-3-015-ZH）

丁超（1990-），男，碩士研究生，主要從事GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析研究。E-mail：dingchao0206@126.com