一種GNSS區(qū)域站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法

耿曉民，邱江濤

(中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054)

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一種GNSS區(qū)域站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法

耿曉民，邱江濤

(中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054)

經(jīng)過多年觀測與積累，GNSS站數(shù)據(jù)已形成大數(shù)據(jù)規(guī)模，面對大區(qū)域、多年GNSS觀測數(shù)據(jù)，需研究數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法，形成快速、常態(tài)化檢測機制，為GNSS站觀測數(shù)據(jù)快速提取與推廣應用提供質(zhì)量保障。本文提出了一種基于TEQC技術的GNSS區(qū)域站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法，分析了檢測內(nèi)容、檢測方法及方法關鍵點；以大華北區(qū)域660余個站點10期觀測數(shù)據(jù)為研究對象，采用所提出的方法，對其進行質(zhì)量檢測，并對檢測結果進行了分析；通過實地考察站址觀測環(huán)境，分析了誤差超限的原因，從而修訂了觀測工藝流程；基于研究成果構建了適用于大規(guī)模GNSS站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測技術體系，可為全國GNSS站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測提供方法參考。

GNSS；質(zhì)量檢測；環(huán)境分析；TEQC

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候三維坐標、速度及時間信息的空基無線電導航定位系統(tǒng)，已為人類帶來了巨大的社會和經(jīng)濟效益。隨著對地觀測技術的發(fā)展，GNSS已在地殼形變、大地測量等領域得到廣泛應用。中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡”)自1998年建成以來，主要以GNSS為觀測手段，并結合精密重力和水準測量等多種技術，用于監(jiān)測中國大陸地殼運動，經(jīng)過多年基礎設施建設，目前已對中國大陸區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全覆蓋。陸態(tài)網(wǎng)絡自運行以來，已積累了多年的GNSS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，并形成了大數(shù)據(jù)規(guī)模，為科學研究、應用研究提供了多采樣率、高分辨率的隨時間連續(xù)變化觀測數(shù)據(jù)。

然而，正是由于觀測數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，數(shù)據(jù)質(zhì)量便成為關注的焦點。隨著時間的推移，很多GNSS站址觀測環(huán)境出現(xiàn)較大變化，如周圍樹木遮擋、電磁干擾等，這些都對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響，進而影響資料的后續(xù)分析，有時會出現(xiàn)對地殼運動現(xiàn)狀的誤判。胡亞軒等分析了2015年GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)有多個站址觀測環(huán)境變差，樹木、房屋、高壓線及(通信)基站等都一定程度上影響了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，對項目后續(xù)的監(jiān)測極為不利。

因此，為了保障數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量，《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)和《地殼運動監(jiān)測技術規(guī)程》等對各等級GNSS點位選建均提出了一定的要求，以減小多路徑效應和周跳等引起的誤差。隨著觀測環(huán)境的不斷變化和觀測數(shù)據(jù)的逐年積累，快速、常態(tài)化的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測機制，能夠為GNSS資料的后續(xù)分析應用提供質(zhì)量保障。

2015—2017年中國地震局等多家單位正在實施的地震行業(yè)科研專項“大華北綜合地球物理場觀測及地震預測應用研究”對1998年前后所建的陸態(tài)網(wǎng)絡GNSS觀測站進行了復測。但是主要為監(jiān)測小組野外觀測時的檢測，前期對陸態(tài)網(wǎng)絡等采用流動復測的區(qū)域站數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測所做工作很少，缺少對陸態(tài)網(wǎng)絡等采用流動復測的區(qū)域站數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析工作。

針對這一現(xiàn)狀，本文提出一種基于TEQC技術的GNSS區(qū)域站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法，利用TEQC軟件對大華北區(qū)域660個站址積累的10期觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢測，根據(jù)IGS標準，提取超限站址，對比分析站址周圍環(huán)境變化，為后續(xù)開展觀測及分析工作提供參考和保障。

1 質(zhì)量檢測方法

1.1 誤差來源

GNSS測量誤差主要來源于GNSS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號的傳播過程和地面接收設備。在信號傳播過程中會產(chǎn)生電離層折射誤差、對流層折射誤差及多路徑效應誤差。前兩種誤差可以通過一定的方法和后續(xù)的基線解算來加以分析和判斷。多路徑效應不僅與衛(wèi)星信號方向、反射系數(shù)有關，而且與反射物離測站遠近有關，無法建立完善的改正模型，從而成為GNSS測量中一種重要的誤差源。

1.2 方法原理

GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量指標的種類很多，過多的指標并不能給GNSS高精度定位提供有效的信息。IGS(International GPS Service)采用4項數(shù)據(jù)指標，分別為觀測數(shù)據(jù)數(shù)目、觀測值和周跳比(o/slps)、L1偽距多路徑效應(MP1)和L2偽距多路徑效應(MP2)。

在GNSS觀測文件(＊.00s)中，列出了歷元、觀測值統(tǒng)計、觀測失鎖統(tǒng)計、觀測值刪除統(tǒng)計及比較重要的結果參數(shù)MP1、MP2、o/slps值。對于o/slps，一般用另一種較為直觀的值，即每千歷元的周跳數(shù)(CSR)來表示，CSR、MP1、MP2的計算公式如下

(1)

(2)

(3)

式中，P1、P2分別表示L1、L2波段上的碼偽距觀測量；φ1、φ2分別表示L1、L2波段上的載波相位觀測量；a為L1、L2波段的頻率f1和f2之比的平方(a=f21/f22)。

由UNAVCO(University NAVSTAR Consortium)開發(fā)研制的TEQC軟件包是一個操作簡單但功能強大的GPS數(shù)據(jù)預處理軟件，主要包含數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯及數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測3個功能。其基本原理是通過偽距和相位觀測量的線性組合，計算出L1、L2觀測量的多路徑效應、電離層對相位的影響、電離層延遲的變化，以及接收機的鐘漂和周跳等，以圖形和文件兩種形式輸出結果。

本文主要采用數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測(quality checking，QC)。通常，QC的結果文件里是輸出觀測時段MP1、MP2的均方差(RMS)值，結合式(1)的CSR值，這3個值能較好地反映出臺站點的觀測環(huán)境與觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2 研究結果分析

為了監(jiān)測地殼水平運動變化特征，陸態(tài)網(wǎng)絡等項目在大華北地區(qū)布設了比較密集的GNSS觀測臺網(wǎng)，自1999年觀測以來，每隔一年實施一次觀測，目前已積累10期資料。2015—2017年中國地震局等多家單位正在實施的地震行業(yè)科研專項“大華北綜合地球物理場觀測及地震預測應用研究”擬對1998年前后所建的GNSS觀測站進行復測。由于站址已建成10余年，觀測環(huán)境發(fā)生了較大的變化，如公民建房、樹木成長、建信號塔等，因此，部分站址觀測數(shù)據(jù)誤差超限。

基于本文提出的方法，首先統(tǒng)計提取了觀測站數(shù)據(jù)的MP1、MP2、o/slps值，基于TEQC軟件采用qc-full模式對660余個站址累積的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，得到每個站址數(shù)據(jù)的年平均值。結果表明，大部分站址的MP1和MP2變化都比較平穩(wěn)，部分臺站CSR變化比較劇烈。

IGS(International GPS Service)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測分析顯示，超過半數(shù)的IGS站的CSR年平均值小于5，2/3以上的CSR平均值在10以下。對于多路徑效應而言，2/3的IGS站的MP1平均值小于0.5，而2/3的MP2平均值小于0.75(本文作為判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量的指標限值)。數(shù)據(jù)的有效率(亦即有效觀測量)為實際觀測的數(shù)據(jù)量與計算的理論觀測量的比值，該比值也可反映站點的遮擋或受干擾數(shù)據(jù)中斷的情況。地殼運動監(jiān)測技術規(guī)程規(guī)定“對基準站高度角在10°以上的觀測量中有效觀測量應不小于85%，測距觀測質(zhì)量MP1和MP2應小于0.5 m”；“區(qū)域站有效時段數(shù)據(jù)的有效率不低于80%”。陸態(tài)網(wǎng)絡觀測資料的有效觀測量都高于85%，根據(jù)IGS標準篩選出50個站址(389個文件)超限(空間分布如圖1所示、統(tǒng)計值見表1)。由于篇幅原因，表1僅列出了有代表性的GNSS臺站的每年的CSR、MP1和MP2的平均值。

圖1 大華北超限GNSS站分布(1999—2015年)

從表1、圖2可以看出，超限站址質(zhì)量變化情況各異。其中A067站1999—2007年MP1、MP2值都優(yōu)于IGS標準，從2009年開始MP1、MP2值突變至1.3以上且連續(xù)6期穩(wěn)定，對比點之記和站址環(huán)境照片發(fā)現(xiàn)，在點的東方向有房屋，遮擋高度角約10°；東偏南至南偏西方向有樹木，遮擋高度角約40°。B053站從2011開始MP1、MP2、CSR值逐年增大，對比點之記和站址環(huán)境照片發(fā)現(xiàn)，點的北方向和東方向有圍墻，遮擋高度角約30°；南方向有房，遮擋高度角約35°。C029站在2001年有一個突升，2007年后回落到正常水平，2012年開始MP1、MP2值突變至1.3以上且連續(xù)6期穩(wěn)定，對比點之記和站址環(huán)境照片發(fā)現(xiàn)，點的北方向和南至西方向有樹木，遮擋高度角約90°；北偏西至東偏南方向有房屋，遮擋高度角約25°。D037站1999—2007年MP1、MP2值穩(wěn)定增大，2009年稍有降低，2011年、2012年突變至2.2以上，2013年回落至之前水平，2014年、2015年優(yōu)于IGS標準。點的東方向有房屋，遮擋高度角約35°。

表1 大華北超限GNSS站CSR、MP1、MP2值(1999—2015年)

GPS天線除接收來自衛(wèi)星的直接波外，還能夠接收3種間接波：經(jīng)過地面或地物反射、經(jīng)過GPS衛(wèi)星星體反射、大氣傳播介質(zhì)散射而形成的間接波。這3種間接波中以地面反射波為主，反射物可以是地面、山坡和測站附近的建筑物等。根據(jù)實地考察工作的資料(點之記和站址環(huán)境照片)發(fā)現(xiàn)，大華北超限GNSS站主要與站址周圍樹木遮擋增強、建蓋樓房及電磁干擾有關，其中樹木遮擋是主要因素。

圖2 超限GNSS站MP1、MP2各期變化(1999—2015年)

3 結 論

(1) 本文提出的方法實現(xiàn)了GNSS區(qū)域站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測，通過對大華北區(qū)域660余個站點10期觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測，驗證了該方法的適用性。從結果可以看出，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量是否合格與觀測站周圍環(huán)境密切相關，因此在GNSS區(qū)域站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測過程中，應重點考慮環(huán)境因素。

(2) 隨著經(jīng)濟發(fā)展，GNSS站數(shù)據(jù)已形成大規(guī)模、大區(qū)域態(tài)勢，該方法可以快速、常態(tài)化檢測GNSS區(qū)域站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，為制定可行的觀測方案、選擇合適的接收機機型、優(yōu)化站址環(huán)境等提供了保障，也可為全國GNSS站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測提供方法參考。

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A Method of GNSS Regional Station Observation Data Quality Detection

GENG Xiaomin，QIU Jiangtao

(The Second Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi’an 710054, China)

After years of observation and accumulation, GNSS data have formed large data scale. Facing large area and multi-year GNSS data, we need to study the data quality detection method to form a fast and normalized detection mechanism to provide quality assurance for GNSS data rapid extraction and application. In this paper, a method of quality detection for GNSS regional station observation data is proposed based on TEQC technology, the detection content, detection method and key points of the method is analyzed. we use the method to complete the 10 stages data quality detection of more than 660 stations in the North China.Experimental results show that the method can be applied to the quality detection of large-scale GNSS stations, which can provide a reference for the national GNSS station data quality detection.

GNSS; quality detection; environmental analysis; TEQC

耿曉民，邱江濤.一種GNSS區(qū)域站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法[J].測繪通報，2017(7)：10-13.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0214.

2016-12-01；

2017-01-11

地震行業(yè)科研重點專項(201508009)

耿曉民(1979—)，男，工程師，主要從事大地測量、地殼形變監(jiān)測工作。E-mail: 26915393@qq.com

P228

A

0494-0911(2017)07-0010-04