中國(guó)境內(nèi)IGS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

隋銘明

摘 要：隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展，全球以及各個(gè)國(guó)家和地區(qū)相繼建設(shè)了GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)，GNSS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量對(duì)于系統(tǒng)應(yīng)用的精度和可靠性至關(guān)重要。本文重點(diǎn)對(duì)中國(guó)境內(nèi)多個(gè)IGS基準(zhǔn)站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量分析，從數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、信噪比和周跳比等方面進(jìn)行了多維度評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，中國(guó)境內(nèi)IGS基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量整體良好，少數(shù)站點(diǎn)存在信噪比、多路徑指標(biāo)較差的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：IGS; GNSS基準(zhǔn)站; 衛(wèi)星信號(hào); 質(zhì)量分析

中圖分類(lèi)號(hào)：P223? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）7-179-002

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）近年來(lái)發(fā)展迅速，美國(guó)、俄羅斯、歐盟和中國(guó)先后完成了各自系統(tǒng)的部署[1]。與此同時(shí)，全球范圍內(nèi)已經(jīng)建立了許多不同區(qū)域、不同尺度和用途的GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)，如國(guó)際GNSS服務(wù)（International GNSS Service，IGS）維護(hù)的全球基準(zhǔn)站網(wǎng)、美國(guó)和中國(guó)等國(guó)家級(jí)基準(zhǔn)網(wǎng)以及江蘇省基準(zhǔn)站網(wǎng)等區(qū)域級(jí)基準(zhǔn)站網(wǎng)等。

隨著基準(zhǔn)站網(wǎng)用戶(hù)不斷增多，保障數(shù)據(jù)質(zhì)量的穩(wěn)定變得尤為重要。衛(wèi)星端、信號(hào)傳播過(guò)程以及接收端，都存在多種因素會(huì)對(duì)基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成影響，進(jìn)而直接影響到導(dǎo)航定位的精度和可靠性，因此有必要開(kāi)展GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析評(píng)估。IGS基準(zhǔn)站網(wǎng)作為全球規(guī)模最大、分布最廣的基準(zhǔn)站網(wǎng)，為高精度全球參考框架的建立、精密地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的確定、GNSS軌道的確定以及區(qū)域地球動(dòng)力學(xué)研究提供了有力支撐[2]。開(kāi)展IGS基準(zhǔn)站特別是我國(guó)境內(nèi)的IGS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析，對(duì)于開(kāi)展GNSS科學(xué)研究以及國(guó)內(nèi)相關(guān)工程的應(yīng)用具有十分重要的意義。

1.IGS建設(shè)現(xiàn)狀

IGS是國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)為支持大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)研究，于1993年組建的一個(gè)國(guó)際協(xié)作組織，1994年1月1日正式開(kāi)始工作，面向全球提供GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)、精密星歷、自轉(zhuǎn)參數(shù)、大氣延遲等產(chǎn)品服務(wù)，以滿(mǎn)足廣泛的科學(xué)研究及工程領(lǐng)域的需要。

IGS由全球分布的400多個(gè)永久連續(xù)運(yùn)行的GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)、4個(gè)數(shù)據(jù)中心和11個(gè)分析處理中心組成[3]?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)的跟蹤數(shù)據(jù)是IGS的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是相關(guān)產(chǎn)品加工處理的源數(shù)據(jù)。分析中心能夠直接和跟蹤站進(jìn)行通信，收集原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，數(shù)據(jù)中心對(duì)各分析中心的產(chǎn)品進(jìn)行綜合計(jì)算，得到最終的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

目前，在全球分布的IGS基準(zhǔn)站中，有10余個(gè)在中國(guó)境內(nèi)，分別位于武漢、北京、烏魯木齊、拉薩、長(zhǎng)春、昆明、西安、上海、香港和臺(tái)灣等地。在建立我國(guó)國(guó)家坐標(biāo)框架和全球坐標(biāo)框架的聯(lián)系時(shí)，往往和這些基準(zhǔn)站進(jìn)行聯(lián)測(cè)，同時(shí)采用站點(diǎn)的坐標(biāo)作為約束進(jìn)行聯(lián)合平差?；鶞?zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接決定了應(yīng)用的效果，因而有必要從多個(gè)維度對(duì)基準(zhǔn)站的衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行分析。

2.數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)

國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)質(zhì)量分析采用的精度指標(biāo)各有差異，其計(jì)算和分析方法與標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，大多采用數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、信噪比和周跳比等分析指標(biāo)，它們可以全面反映GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.1數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率為觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際歷元數(shù)與預(yù)期歷元數(shù)比值，反映了當(dāng)衛(wèi)星高度角大于截止高度角時(shí)數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)完整率越高，觀測(cè)質(zhì)量越高。數(shù)據(jù)完整率也能反映觀測(cè)環(huán)境的優(yōu)劣情況。接收機(jī)故障或環(huán)境干擾可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率過(guò)低。

2.2多路徑誤差

基準(zhǔn)站在接收來(lái)自衛(wèi)星直接信號(hào)的同時(shí)，也接收了測(cè)站周?chē)姆瓷湮锓瓷涞男l(wèi)星信號(hào)，二者產(chǎn)生干涉時(shí)延效應(yīng)，從而產(chǎn)生觀測(cè)值與真值的誤差[4]。其不僅影響測(cè)量精度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹦盘?hào)失鎖，是一項(xiàng)重要的誤差。多路徑誤差可以利用偽距和載波相位觀測(cè)值的組合進(jìn)行計(jì)算。

多路徑效應(yīng)的主要影響因素是測(cè)站周邊環(huán)境，對(duì)于多路徑效應(yīng)引起的測(cè)量誤差，主要通過(guò)從改善設(shè)備和觀測(cè)環(huán)境兩方面減弱，如選擇高性能接收機(jī)和扼流圈天線(xiàn)，選擇良好觀測(cè)條件等措施。

2.3信噪比

在衛(wèi)星信號(hào)的傳輸過(guò)程中，由于各種原因，衛(wèi)星接收機(jī)的輸入端的信號(hào)會(huì)混雜進(jìn)一些噪聲，信號(hào)的質(zhì)量一般情況下用信噪比來(lái)表示，其計(jì)算方法是載波信號(hào)和噪聲的平均功率的比值，因而也可以稱(chēng)之為載噪比。

信噪比反映了信號(hào)的強(qiáng)度，對(duì)于接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的搜索能力、追蹤效率以及定位精度來(lái)說(shuō)都是重要且不可或缺的參數(shù)，是用來(lái)評(píng)價(jià)載波相位觀測(cè)值的重要指標(biāo)。衛(wèi)星信號(hào)的信噪比通常情況下與衛(wèi)星發(fā)射天線(xiàn)增益、地面接收機(jī)天線(xiàn)增益、接收機(jī)和天線(xiàn)的放置角度、衛(wèi)地距離、電離層損耗、多路徑效應(yīng)都有一定的關(guān)系。通常，信噪比的值越大，表明信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量越好，從而觀測(cè)的質(zhì)量和精度越高。

2.4周跳比

周跳是指在載波相位測(cè)量中，由于衛(wèi)星信號(hào)的失鎖而導(dǎo)致的整周計(jì)數(shù)的跳變或中斷。造成周跳的原因是多樣的，其中主要有衛(wèi)星信號(hào)的遮擋，外界環(huán)境導(dǎo)致的信號(hào)失鎖，接收設(shè)備質(zhì)量問(wèn)題等。周跳比越低，表明發(fā)生周跳的歷元占總的觀測(cè)歷元的比值越低，在總的觀測(cè)歷元相同的情況下，則發(fā)生周跳的歷元越少。

3.觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果

3.1數(shù)據(jù)來(lái)源

為了對(duì)中國(guó)境內(nèi)的IGS基準(zhǔn)站的信號(hào)情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，本文選擇了具有代表性的12個(gè)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，12個(gè)站點(diǎn)分布在大陸、香港和臺(tái)灣等區(qū)域，具體站點(diǎn)列表見(jiàn)表1所示。具體質(zhì)量分析時(shí)，采用了2019年1月28日24小時(shí)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行。

3.2質(zhì)量分析工具

數(shù)據(jù)質(zhì)量分析使用TEQC軟件進(jìn)行，其是國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件，由美國(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[5]。軟件主要功能包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯和質(zhì)量檢核等，本文主要利用其質(zhì)量檢核功能。TEQC質(zhì)量檢核有兩種模式：lite模式和full模式，full模式的質(zhì)量檢測(cè)需要RINEX2.11格式的觀測(cè)值o文件和導(dǎo)航n文件，lite模式下的質(zhì)量檢測(cè)只需要o文件，只有在full模式下才能計(jì)算數(shù)據(jù)利用率和衛(wèi)星高度角。

3.3分析結(jié)果

對(duì)12個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量各指標(biāo)的分析結(jié)果如表1所示，MP1、MP2代表的是L1和L2頻率的多路徑誤差，SN1和SN2分別代表的信噪比，o/slps為周跳比。

對(duì)于數(shù)據(jù)完整率，所有站點(diǎn)均達(dá)到95%及以上，由此可見(jiàn)，中國(guó)境內(nèi)的這12個(gè)IGS基準(zhǔn)點(diǎn)的有效觀測(cè)值較多，觀測(cè)環(huán)境良好，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象少。

對(duì)于多路徑效應(yīng)，一般認(rèn)為MP1和MP2分別小于0.35和0.45時(shí)，由其產(chǎn)生的誤差幾乎不會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，滿(mǎn)足該條件的站點(diǎn)有五個(gè)，分別是BJFS、TWTF、HKWS、HKSL、TCMS。而CHAN和SHAO兩個(gè)基準(zhǔn)站的多路徑影響較為嚴(yán)重。

對(duì)于信噪比而言，信噪比值越大，信號(hào)受外界噪聲影響越小，信號(hào)質(zhì)量越高，從圖2中發(fā)現(xiàn)12個(gè)站點(diǎn)中BJNM、CKSV、KNKM、TCMS四個(gè)基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)受外界噪聲影響較大。

對(duì)于周跳，TEQC采用的是觀測(cè)值與周跳比（o/slps）作為指標(biāo)，選取o/slps=200作為參考標(biāo)準(zhǔn)，o/slps越小說(shuō)明周跳現(xiàn)象越嚴(yán)重。上述數(shù)據(jù)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)選取基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)接收較穩(wěn)定，受到衛(wèi)星失鎖、信號(hào)中斷等情況的影響較小。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文用TEQC軟件對(duì)中國(guó)境內(nèi)的12個(gè)IGS基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量分析，結(jié)果可以看出，各基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，說(shuō)明基準(zhǔn)站的運(yùn)行總體狀態(tài)良好，但也存在部分站點(diǎn)信噪比、多路徑指標(biāo)較差的問(wèn)題，其具體原因需要進(jìn)一步探究。本文的研究對(duì)于分析評(píng)價(jià)中國(guó)境內(nèi)各IGS基準(zhǔn)站的信號(hào)質(zhì)量具有一定的參考價(jià)值，但受限于分析的數(shù)據(jù)量偏少，基準(zhǔn)站信號(hào)質(zhì)量的穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步分析。

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