ZHBDCORS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測與分析

王東閣，李秀龍，丁建勛

ZHBDCORS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測與分析

王東閣，李秀龍，丁建勛

（珠海市測繪院，廣東 珠海 519000）

為了進一步提高衛(wèi)星定位技術(shù)服務(wù)水平，以珠海市北斗連續(xù)運行衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)系統(tǒng)（ZHBDCORS）為研究對象進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測與分析：對其10個基準站2014—2018年的觀測數(shù)據(jù)進行批量質(zhì)量檢測；繪制多路徑效應(yīng)時間序列圖；然后結(jié)合影像及周邊建筑的建設(shè)時間節(jié)點進行質(zhì)量分析。結(jié)果表明：系統(tǒng)運行至今，多數(shù)站點數(shù)據(jù)質(zhì)量指標仍優(yōu)于國際全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)組織（IGS）站的數(shù)據(jù)質(zhì)量經(jīng)驗指標；部分站點由于設(shè)備遭遇雷擊及周圍環(huán)境變化，數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴重下降，更換新設(shè)備后，數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯提升；但個別站點周邊遮擋嚴重，數(shù)據(jù)完整率差，應(yīng)考慮遷站升級。分析結(jié)果可為ZHBDCORS站的維護和升級改造提供參考。

珠海市北斗連續(xù)運行衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)系統(tǒng)（ZHBDCORS）；數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測；時間序列圖；天空圖

0 引言

城市建設(shè)，測繪先行。珠海市北斗連續(xù)運行衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)系統(tǒng)（Zhuhai Beidou continuously operating reference stations, ZHBDCORS）是2014年以國家北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）正式提供服務(wù)為契機開展建設(shè)的，包括BDS、全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）及格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）等多模連續(xù)運行參考站位置服務(wù)系統(tǒng)，是珠海市“十二五”基礎(chǔ)測繪規(guī)劃核心成果之一，也是珠海市現(xiàn)代測繪基準的核心設(shè)施[1-3]。ZHBDCORS主要面向社會提供厘米級實時動態(tài)定位即網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)差分法（real-time kinematic, RTK）公益服務(wù)，為珠海市建設(shè)和管理工作提供多坐標系框架下的衛(wèi)星定位技術(shù)服務(wù)，大幅提高工作效率，保障各類基礎(chǔ)建設(shè)工作順利開展。

隨著城市的建設(shè)，基準站周邊環(huán)境已發(fā)生重大變化。結(jié)合周邊建筑建設(shè)的時間節(jié)點，以及基準站運維報告，對ZHBDCORS所積累的大量觀測數(shù)據(jù)，進行質(zhì)量檢測與分析，量化儀器性能和周邊環(huán)境對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，為ZHBDCORS的維護和升級改造提供有力依據(jù)。

1 ZHBDCORS數(shù)據(jù)整理

由于客觀原因，ZHBDCORS觀測數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)格式混亂、存儲路徑復(fù)雜、采樣率多樣、頭文件不規(guī)范和文件時段長度不一等情況，為方便數(shù)據(jù)科學(xué)管理以及高效質(zhì)量分析，首先充分利用轉(zhuǎn)換、編輯及質(zhì)量檢核（translation,editing and quality checking, TEQC）軟件、gfzrnx、convbin（RTKLIB模塊）、Converter（中海達儀器自有格式轉(zhuǎn)換工具）等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件將觀測文件批量標準化，統(tǒng)一整理為1天/個、采樣率5 s的標準觀測數(shù)據(jù)，且按RX2/RX3命名規(guī)則分別存儲為Rinex3.03/Rinex2.112個版本；然后借鑒國際全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)中心（international global navigation satellite system Service，IGS）數(shù)據(jù)存儲方式對ZHBDCORS數(shù)據(jù)進行分類整理，整理后的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)為年/年積日/RX格式。

2 檢測軟件與方案

TEQC(translation, editing, and quality checking)是由美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地球形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體（The University Navstar Consorium Facility, UNAVCO Facility）研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）數(shù)據(jù)預(yù)處理和質(zhì)量分析軟件[4]，質(zhì)量檢核是TEQC軟件的核心，不僅可計算出數(shù)據(jù)利用率、電離層延遲、多路徑、周跳比、信噪比等指標值并生成結(jié)果文件，而且能夠利用QC2SKY/QCVIEW等軟件進行繪圖從而實現(xiàn)可視化，但在處理大量數(shù)據(jù)時略有不便。Pinot是一系列使用Python 語言開發(fā)的腳本[5]，主要用于對大量的GNSS 靜態(tài)數(shù)據(jù)進行批量處理，其中qualitycheck.py 腳本可調(diào)用TEQC批量進行 RINEX 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，輸出觀測時長、信噪比、多路徑效應(yīng)、周跳等質(zhì)量檢查成果，方便分析長期大量的數(shù)據(jù)。

QC2SKY主要利用方位角/仰角在天空圖中圖形化TEQC的繪圖文件，直觀反映各項質(zhì)量檢查結(jié)果隨衛(wèi)星軌跡的變化[6]。支持繪制GPS L1和L2頻率上產(chǎn)生信噪比、多路徑、電離層延遲等天空圖。根據(jù)天空圖可直觀展示周邊環(huán)境對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

由于TEQC及繪圖軟件QC2SKY目前只能對Rinex2.xx的觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，且對BDS的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析評估功能尚不完善，故本文僅利用qualitycheck.py腳本對ZHBDCORS 2014—2018年的GPS/GLONASS觀測數(shù)據(jù)批量質(zhì)量檢核。同時利用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)檢核結(jié)果繪制時間序列圖，結(jié)合影像及周邊建筑建設(shè)時間節(jié)點，分析各連續(xù)運行參考站（continuously operating reference stations, CORS）站數(shù)據(jù)質(zhì)量變化原因。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核結(jié)果及分析

IGS官網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測分析結(jié)果顯示[7]，超過半數(shù)的IGS站的每千歷元周跳數(shù)CRS年平均值小于5，2/3以上CSR平均值在10以下。對于多路徑效應(yīng)而言，2/3的IGS站的L1頻段多路徑效應(yīng)MP1平均值至小于0.5，而2/3的L2頻段多路徑效應(yīng)MP2平均值小于0.75。觀測數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)MP1、MP2的均方差（RMS）值，結(jié)合CSR，這3個指標能較好地反映出臺站的觀測環(huán)境以及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量[8]。本文以IGS站的數(shù)據(jù)質(zhì)量的經(jīng)驗值作為指標[9-10]，限于篇幅，僅列出各CORS站多路徑效應(yīng)MP1、多路徑效應(yīng)MP2及每千歷元周跳數(shù)CSR年平均值，如表1所示。

表1 ZHBDCORS數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計

續(xù)表1

注：1.FUSH站由于遷站，2018年數(shù)據(jù)缺失。2.BTHU站由于2016年遭遇雷擊，設(shè)備損壞，2017年數(shù)據(jù)缺失。3.JWGT站于2017年6月更換接收機，ZHGT站于2018年12月更換接收機。

由表1可得：①所有測站MP1、MP2和CSR年均值呈整體上升；②BTHU站由于雷擊影響，數(shù)據(jù)中斷，在基準站恢復(fù)后，MP1和MP2年均值增長，經(jīng)調(diào)查，BTHU站周圍環(huán)境并未有較大變化，判斷這主要與基準站遭受雷擊，設(shè)備性能下降有關(guān)；③JWGT站于2017年6月更換接收機，更換前，MP1、MP2呈整體上升趨勢，更換后MP1、MP2年均值由2016年的0.51、0.60下降至2018年0.12、0.13，經(jīng)調(diào)查，JWGT站周邊環(huán)境未有明顯變化，故判斷JWGT及其他基準站質(zhì)量指標逐年上升的主要原因為設(shè)備老化，更換新儀器后數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯上升；④GUIS站在2017—2018年期間，數(shù)據(jù)質(zhì)量下降明顯，經(jīng)調(diào)查，周圍環(huán)境未發(fā)現(xiàn)明顯變化，參考JWGT站，主要原因為設(shè)備老化導(dǎo)致性能下降，應(yīng)考慮升級新設(shè)備；⑤BOSH、ZHGT站在2015—2017年期間，MP1、MP2值有較明顯增長，且超過IGS數(shù)據(jù)質(zhì)量經(jīng)驗值。

為此進行如下調(diào)查分析：首先利用谷歌地球（Google Earth）查看基站周圍環(huán)境變化。BOSH站如圖1所示，基準站東北方向，由一片空地變?yōu)?棟高層建筑；ZHGT站如圖2所示，基準站東側(cè)出現(xiàn)高層建筑群，2個基準站觀測環(huán)境均出現(xiàn)劇烈變化。然后，由珠海市測繪院城鄉(xiāng)規(guī)劃監(jiān)督測繪全生命周期智能服務(wù)平臺[11]得周邊建筑建設(shè)進度數(shù)據(jù)見（表2），結(jié)合TEQC批量檢核結(jié)果繪制的時間序列圖進行分析。

圖1 BOSH站周圍環(huán)境影像

圖2 ZHGT站周圍環(huán)境影像

表2 基準站周邊建筑測繪節(jié)點

由表2可得，BOSH站周邊建筑的正式建設(shè)由2015年7月開始，2016年3月完成2/3結(jié)構(gòu)工程（《廣東省商品房預(yù)售管理條例》規(guī)定預(yù)售許可條件“七層以上（不含本數(shù)）的商品房預(yù)售項目，已完成三分之二結(jié)構(gòu)工程”），由圖3也可看出MP1值在該時間段增長較快，與表2的建設(shè)時間節(jié)點一致；2016年8月之后，MP1由于周邊建筑安裝玻璃幕墻造成多路徑效應(yīng)增強而再次增長。為使遮擋影響及多路徑效應(yīng)表達更加直觀，選取2015年年積日第214天及2017年年積日第59天觀測數(shù)據(jù)利用TEQC采用完整模式（FULL）進行質(zhì)量分析，且利用QC2SKY工具將MP1分析結(jié)果繪圖，如圖4(a)所示。2015年系統(tǒng)建立之初，受多路徑影響較小，受到影響的衛(wèi)星高度角均低于10°，符合IGS站的數(shù)據(jù)質(zhì)量經(jīng)驗值，滿足建站要求。圖4(b)，即2017年初，BOSH站高度角0~40°范圍內(nèi)的多路徑誤差明顯增大，在其西北方由于高層建筑遮擋出現(xiàn)較大缺口，與影像圖表達一致。鑒于該情況，已于2018年重新選址建立新站，BOSH站作為備份站運行而不組網(wǎng)。

圖3 2015年8月至2017年2月BOSH站MP1、 MP2變化趨勢

圖4 BOSH站MP1天空圖

ZHGT站周邊高層建筑群分布如圖2(b)所示，影響較大的建筑為1棟、2棟及3棟。由表2可得其主體建設(shè)分為2個階段：第一階段為建設(shè)距離基準站相對較遠的1棟、2棟，由2015年11月開始，2016年9月結(jié)構(gòu)工程完成2/3，其影響如圖5所示，2016年1月至8月多路徑影響逐步增長；第二階段為建設(shè)影響較大的3棟，2017年8月其結(jié)構(gòu)工程完成2/3，如圖5所示，在2016年下旬出現(xiàn)巨幅增長，建設(shè)進度與ZHGT站MP1、MP2時序圖吻合，MP1、MP2的年均值也由2015年的0.33、0.39增至2017年的1.15、1.47。選取ZHGT站2016年年積日第32天及2017年年積日第274天的數(shù)據(jù)將TEQC的MP1分析結(jié)果繪圖，如圖6所示。2016年初ZHGT站多路徑影響主要集中在高度角0~15°，2017年下旬時受多路徑影響的衛(wèi)星高度角已超40°，由于建筑群的遮擋，在天空圖東側(cè)也出現(xiàn)巨大缺口，影響較為嚴重，數(shù)據(jù)完整率由97 %降為84 %。為此，ZHGT站于2018年11月更換接收機，更換后數(shù)據(jù)質(zhì)量指標月均值如表3所示，數(shù)據(jù)質(zhì)量提升明顯；但由于觀測環(huán)境客觀存在且無法改變，衛(wèi)星遮擋嚴重，數(shù)據(jù)完整率差，因而ZHGT站應(yīng)作遷站升級。

圖5 2016年1月至2017年11月ZHGT站MP1、MP2變化趨勢

圖6 ZHGT站MP1天空圖

表3 ZHGT站接收機更換前后數(shù)據(jù)質(zhì)量月均值對比

4 結(jié)束語

本文利用Python腳本調(diào)用TEQC對ZHBDCORS 10個基準站觀測數(shù)據(jù)批量進行質(zhì)量檢測，且繪制多路徑效應(yīng)時間序列圖，結(jié)合影像及周邊建筑建設(shè)時間節(jié)點進行質(zhì)量分析，為ZHBDCORS的維護和升級改造提供參考，結(jié)果如下：

1）系統(tǒng)建設(shè)運行初期，ZHBDCORS各基準站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量整體較好，多路徑、周跳比等均優(yōu)于IGS參考站數(shù)據(jù)質(zhì)量指標；

2）運行至今，設(shè)備性能有所老化，所有測站MP1、MP2和CSR年均值呈整體上升，但多數(shù)站點數(shù)據(jù)質(zhì)量指標仍優(yōu)于IGS站的數(shù)據(jù)質(zhì)量的經(jīng)驗值；

3）部分站點數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴重下降，經(jīng)分析，與設(shè)備遭遇雷擊及周圍環(huán)境變化等因素密切相關(guān)，更換新設(shè)備后，數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯提升，但個別站點周邊遮擋嚴重，數(shù)據(jù)完整率差，應(yīng)考慮遷站升級。

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GNSS data quality checking and analysis of ZHBDCORS

WANG Dongge, LI Xiulong, DING Jianxun

（Zhuhai Surveying and Mapping Institute, Zhuhai, Guangdong 519000, China）

In order to further improve the service level of satellite positioning technology, taking ZHBDCORS as research objects, the paper carried out the data quality checking and analysis: the observation data of 10 reference stations from 2014 to 2018 were batch quality checking; and the time series plots of multi-path effect were mapped; then the quality analysis was performed by combining the satellite images with the construction progress of surrounding buildings. Results showed that: since operation of the system, the data quality of most stations could be still better than that of IGS experiential index; due to lightning strike and the changes of surrounding environment, the data quality of some base stations could be seriously reduced, while after equipment replacement, the quality would possibly get great improvement; however, some stations should consider relocation and upgrading because of serious perimeter occlusion and poor data integrity rate. The research result would provide a reference for the maintenance and upgrade of ZHBDCORS.

Zhuhai Beidou continuously operating reference stations (ZHBDCORS); translation, editing and quality checking (TEQC); time series plots; sky plot

P228

A

2095-4999(2019)04-0070-05

王東閣，李秀龍，丁建勛.ZHBDCORS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測與分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報,2019,7(4): 70-74.（WANG Dongge, LI Xiulong, DING Jianxun.GNSS data quality checking and analysis of ZHBDCORS[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 70-74.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190413.

2019-05-05

王東閣（1990—），男，河南洛陽人，碩士，工程師，研究方向為精密工程測量及無縫定位。