昆明CORS加密基準(zhǔn)站的質(zhì)量評價(jià)

王晶,朱大明,倪曙,王友昆,,劉晨

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093; 2.昆明市測繪研究院,云南 昆明 650051;3.武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079)

0 引 言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satelite System,GNSS)是國家信息體系的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施,已經(jīng)影響到人類科技和生活的方方面面。其主要包括美國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GPS(Global Position System,GPS)、中國的BDS北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GLONASS)以及歐洲的GALILEO衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(Galileo Satellite Navigation System,GALILEO)[1]。隨著測繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模越來越大,其能將定位精度提高到毫米級,目前不同尺度的連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)被建立,如大尺度的全球跟蹤站網(wǎng)(International GNSS Service,IGS)、中尺度的國家級或省市參考站網(wǎng)如:美國連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)(Continuously Operating Reference System,CORS)、中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(The Crustal Movement Observation Network of China)、云南省CORS網(wǎng)(YNCORS)、廣東省CORS網(wǎng)(GDCORS)、浙江省CORS網(wǎng)(ZJCORS)等,小尺度的各種橋梁、隧道、大壩工程基準(zhǔn)網(wǎng)。這些不同尺度的GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)為研究全球板塊運(yùn)動(dòng)、地殼形變監(jiān)測以及橋梁隧道等重大工程監(jiān)測的研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,因此基準(zhǔn)站網(wǎng)的可靠性顯得尤為重要,目前從觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量的可靠性和基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性對基準(zhǔn)站進(jìn)行評價(jià)是檢核不同尺度的CORS站能否成為可靠的空間基準(zhǔn)的有效方法。

1 基準(zhǔn)站的質(zhì)量評價(jià)

1.1 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)

數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價(jià)參考了BD 420022—2019《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)測量型接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估辦法》[2]采用了以下5個(gè)評價(jià)指標(biāo),即數(shù)據(jù)完整率,MP1(第一頻率的多路徑誤差),MP2(第二頻率的多路徑誤差),SN1(L1載波上的信噪比),SN2(L2載波上的信噪比)和周跳比。

(1)數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率是定義GNSS接收機(jī)接收的觀測歷元同理論觀測歷元的比值,其能夠反映接收衛(wèi)星信號的完整程度,計(jì)算公式如下:

(1)

上式中,α表示數(shù)據(jù)完整率,Ni和N0分別表示實(shí)際觀測歷元和理論觀測歷元的數(shù)量。該指標(biāo)大于等于90%則表示接收機(jī)接收衛(wèi)星信號的完整度較好。

(2)第一頻率的多路徑誤差(MP1)

接收機(jī)工作時(shí),除了收到直線到達(dá)的衛(wèi)星信號外,還會(huì)接收到測站附近地物反射回的衛(wèi)星信號,這些反射回的信號與直線到達(dá)的衛(wèi)星信號產(chǎn)生疊加使得接收機(jī)接收到的信號產(chǎn)生延時(shí)效應(yīng)。MP1為觀測信號相對于第一頻率上多路徑效應(yīng)的影響。MP1值愈小,接收機(jī)抗多路徑效應(yīng)的能力越強(qiáng)。MP1的計(jì)算公式如下:

(2)

(3)第二頻率的多路徑誤差(MP2)

類似MP1,MP2則為觀測信號相對于第二頻率上多路徑效應(yīng)的影響。MP2的值愈小,接收機(jī)抗多路徑效應(yīng)的能力越強(qiáng)。MP2的計(jì)算公式如下:

(3)

式中,P2為第二頻率上的偽距觀測值,φ1、φ2和α與式(2)相同。MP2小于等于 0.65 m的情況下可認(rèn)為抗多路徑效應(yīng)能力較好。

(4)信噪比(SN1,SN2)

信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)是指接收機(jī)所接收信號的信號功率與噪聲功率之比,其反映GNSS系統(tǒng)測距信號質(zhì)量的優(yōu)劣,是判別GNSS系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。觀測信號不同的傳輸頻率對應(yīng)著不同載波的信噪比。L1、L2載波上的信噪比分別為SN1、SN2,其值愈大,證明觀測信號的質(zhì)量越好。SN1、SN2的計(jì)算公式如下:

(4)

上式中,S1、N1分別指GPS系統(tǒng)在L1載波上的信號功率和噪聲功率,S2、N2同理。通常SN1大于 4.5 dB,SN2大于 5.5 dB的情況下視為觀測信號較好。

(5)周跳比

周跳(Cycle Slips)是指某個(gè)觀測時(shí)段內(nèi)由于衛(wèi)星失鎖繼而引起觀測信號發(fā)生整周計(jì)數(shù)跳變或中斷。周跳比用來描述特定時(shí)間段內(nèi)接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的實(shí)際歷元數(shù)據(jù)量與周跳歷元數(shù)據(jù)量的比值,該值是反映觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的指標(biāo)之一。通常使用TEQC軟件來計(jì)算周跳比,以反映觀測值周跳的嚴(yán)重程度,計(jì)算公式如下:

(5)

其中,o/slps,num_all分別表示周跳比和觀測值數(shù)量,num_skip為周跳數(shù)量,由式(5)可知,o/slps越小,則周跳越明顯。

1.2 基準(zhǔn)站穩(wěn)定性的評價(jià)

對于建成時(shí)間長且積累了大量觀測數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)站,對其進(jìn)行分析評價(jià),除了對基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析外還需要研究其時(shí)間序列分析[3]。精準(zhǔn)的時(shí)間序列能夠擬合出站速度和速度場成果,以便于精準(zhǔn)研究基準(zhǔn)站的動(dòng)態(tài)變化情況。KMCORS加密站建成不久,觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量有限,故本次研究只對其兩期加密站的CGCS2000坐標(biāo)進(jìn)行對比分析。

2 KMCORS加密基準(zhǔn)站的分析評價(jià)

昆明市連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站(Kunming Continuously Operating Reference Stations,KMCORS)[4,5]是昆明市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)的核心組成部分,是構(gòu)建現(xiàn)代PNT(Positioning Navigation and Timing,定位導(dǎo)航與授時(shí))服務(wù)[6,7]的基礎(chǔ)。KMCORS通過網(wǎng)形合理,密度恰當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)站網(wǎng)維持CGCS2000(China Geodetic Coordinate System 2000,2000國家大地坐標(biāo)系)坐標(biāo)框架[8,9]。2021年,為進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)形結(jié)構(gòu),增強(qiáng)服務(wù)性能,KMCORS進(jìn)行了全面的升級改造,其中包括增設(shè)8個(gè)加密基準(zhǔn)站。本研究對這8個(gè)加密基準(zhǔn)站進(jìn)行了質(zhì)量評價(jià),包括GNSS(Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量測試和點(diǎn)位穩(wěn)定性評估。

2.1 數(shù)據(jù)收集

為滿足加密站質(zhì)量評估的需求,本研究采集了KMCORS中的14個(gè)基準(zhǔn)站(包括6個(gè)原基準(zhǔn)站和全部8個(gè)加密站)的兩期GNSS觀測數(shù)據(jù)。其中,第一期為2021年10月1日至7日(對應(yīng)DOY(Day-of-Year,年積日)274-280,2021),第二期為2022年3月1日至7日(DOY 60-66,2021)。另需說明的是,測站位置和代號為保密數(shù)據(jù),在此恕不展示。

2.2 數(shù)據(jù)規(guī)整

由于收集到的觀測數(shù)據(jù)版本不統(tǒng)一,且有效的衛(wèi)星系統(tǒng)涵蓋了GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)、Galileo系統(tǒng)以及中國的BDS系統(tǒng),鑒于GAMIT解算的需要,需要統(tǒng)一觀測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星系統(tǒng)、版本以及采樣率。目前GPS系統(tǒng)是全球最穩(wěn)定的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),主流的高精度GNSS解算軟件GAMIT處理GPS系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的效果最佳,經(jīng)過大量實(shí)踐證明,30 s的采樣間隔,2 880個(gè)歷元的觀測數(shù)據(jù),解算可以得到效果較優(yōu)的單日解。故本研究將采用GFZRNX軟件將所收集到的數(shù)據(jù)規(guī)整為GPS系統(tǒng),30 s采樣間隔,2 880個(gè)歷元。

2.3 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量測試

采用TEQC軟件[10]對上節(jié)采集到的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量測試,測試指標(biāo)為:數(shù)據(jù)完整率,MP1,MP2,SN1,SN2和周跳比。圖1～圖6即為質(zhì)量測試結(jié)果。另需注意的是,由于篇幅原因,故在此僅展示隨機(jī)挑選的5個(gè)加密站的測試結(jié)果。

圖1 KMCORS加密基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)完整率

圖1表明KMCORS加密站的數(shù)據(jù)完整率均在97%以上,遠(yuǎn)超90%(限差,下同);圖2和圖3則表明加密站的SN1均大于 4.5 dB,SN2均大于 5.5 dB;圖4和圖5可見各站的MP1都低于 0.5 m,MP2都低于 0.55 m;圖6則顯示各測站的周跳比均大于200。綜上,加密站GNSS數(shù)據(jù)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求,證明其運(yùn)行穩(wěn)定,觀測條件良好,可為CORS中心實(shí)時(shí)傳輸可靠的GNSS觀測數(shù)據(jù)。

圖2 KMCORS加密基準(zhǔn)站的SN1

圖3 KMCORS加密基準(zhǔn)站的SN2

圖4 KMCORS加密基準(zhǔn)站的MP1

圖5 KMCORS加密基準(zhǔn)站的MP2

圖6 KMCORS加密基準(zhǔn)站的周跳比

3 點(diǎn)位穩(wěn)定性分析

3.1 基線解算

采用GAMIT/GLOBK軟件(v10.71)[11-13]對第1節(jié)所示的兩期觀測數(shù)據(jù)分別組網(wǎng)進(jìn)行基線解算,具體解算策略如表1所示:

表1 基線解算策略

基線解算完畢后,須進(jìn)行基線解質(zhì)量檢核。NRMS(Normalized Root Mean Square,歸一化均方根)NRMS是衡量基線解質(zhì)量的重要指標(biāo),理想狀態(tài)下該值應(yīng)該小于0.2,可由下式計(jì)算:

(6)

基線重復(fù)率能夠反映基線解的內(nèi)部精度,是衡量基線解質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,其公式如下:

(7)

整網(wǎng)基線重復(fù)率通常采用固定誤差和比例誤差表示,即:

σi=ai+biL

(8)

式中,σi表示觀測網(wǎng)各方向分量的中誤差,ai,bi分別表示各方向分量的固定誤差和相對誤差,L為各基線分量的長度。參考《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 73—2019)[14],a應(yīng)小于 5 mm,b應(yīng)小于 1 ppm,經(jīng)計(jì)算,本項(xiàng)目所得基線求得的a為 1.51 mm,b為 0.32 ppm,滿足限差要求。綜上,NRMS和a,b均表明:基線解質(zhì)量可靠,可用于下一步平差處理。

3.2 平差策略

本研究的選用CGCS2000坐標(biāo)框架,固定已知點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)以傳遞所有待測點(diǎn)的坐標(biāo)成果。平差所用策略如下:首先,固定1個(gè)原基準(zhǔn)站的XYZ坐標(biāo)進(jìn)行無約束平差;而后,評估其余5個(gè)原基準(zhǔn)站的坐標(biāo)成果與已知成果的差異,若XYZ三方向均小于 5 mm,則將其納入已知點(diǎn)進(jìn)行二次(約束)平差,否則予以作為待求點(diǎn);最后,固定所有穩(wěn)定點(diǎn),確定8個(gè)加密站的CGCS2000坐標(biāo)。根據(jù)上述策略,分別確定8個(gè)加密站的兩期坐標(biāo)成果。

3.3 穩(wěn)定性分析

通過兩期坐標(biāo)成果作差,即可判斷加密站是否穩(wěn)定。根據(jù)GNSS定位的誤差,在此規(guī)定:若三方向較差均小于 1 cm,才可確定點(diǎn)位穩(wěn)定。如表2所示,所有加密站的三方向較差,即△X,△Y和△Z均小于 1 cm,表明各加密站自投入運(yùn)行以來,位置穩(wěn)定,未發(fā)生偏移,其初期坐標(biāo)成果可靠,無須更新。

表2 加密站的兩期坐標(biāo)成果較差

4 結(jié) 論

本次研究利用了KMCORS加密站2021年年積日為274～280和2022年年積日為060～066的兩期觀測數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)完整率、MP1、MP2、SN1,SN2、周跳比等方面進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量分析,再將兩期基準(zhǔn)站在CGCS2000框架下的坐標(biāo)進(jìn)行對比,得出以下結(jié)論:

(1) KMCORS加密站的GNSS觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率均在97%以上;且各加密站的SN1均大于 4.5 dB,SN2均大于 5.5 dB;各站的MP1都低于 0.5 m,MP2都低于 0.55 m;各站的周跳比均大于200。綜上說明加密站接收環(huán)境較好,觀測信號平穩(wěn),可為CORS中心實(shí)時(shí)傳輸可靠的GNSS觀測數(shù)據(jù)。

(2) 加密站的兩期坐標(biāo)成果較差低于限差,證明加密站的位置穩(wěn)定,其坐標(biāo)成果短期內(nèi)無須更新能夠作為可靠的空間基準(zhǔn)為授權(quán)用戶提供服務(wù)。