高原山區(qū)水庫邊坡GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)質量評價與分析研究

費國俊 李向新

摘 ?要： 針對云南省阿海水電站水庫影響待觀區(qū)變形監(jiān)測工程項目，本文應用TEQC軟件對GNSS觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質量檢核，結合QCVIEW32和DOSBox0.74軟件對數(shù)據(jù)質量檢核結果可視化，對其多路徑誤差、觀測數(shù)據(jù)與周跳比、數(shù)據(jù)利用率進行了分析。

關鍵詞： GNSS;質量分析;多路徑效應;周跳比;數(shù)據(jù)利用率

中圖分類號： TP3 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.042

本文著錄格式：費國俊，李向新. 高原山區(qū)水庫邊坡GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)質量評價與分析研究[J]. 軟件，2020，41（01）：192195+204

【Abstract】： In view of the deformation monitoring project of the reservoir impact observation area of Ahai Hydropower Station in Yunnan Province. The data quality check of GNSS observation data is carried out by TEQC software， and the data quality check results are visualized by QCVIEW32 and DOSBox0.74 software. The multi- path error， ratio of observed data to cycle slip， and data utilization ratio are analyzed.

【Key words】： GNSS; Quality analysis; Multi-path effect; Cycle skip ratio; Data utilization ratio

0 ?引言

在進行GPS外業(yè)觀測過程中，會受到諸如測站環(huán)境多路徑誤差、接收機老化、測站附近遮擋物的影響，而使得觀測數(shù)據(jù)質量受到一定程度的影響[1] ，影響觀測數(shù)據(jù)質量的主要因素有多路徑效應、信噪比、電離層延遲、對流層延遲等等。在高原山區(qū)進行水庫邊坡變形監(jiān)測時，GPS信號會受到相較于平原地區(qū)更多種因素的影響，在實際工作中有時因某個測站的觀測數(shù)據(jù)質量太差而不得不重測，影響工作進度和效率。觀測中若能及時進行觀測數(shù)據(jù)的質量檢測發(fā)現(xiàn)異常情況，則可以采取措施避免因觀測數(shù)據(jù)質量不合格產生的不利影響，提高效率并保證觀測成果的可靠性。

1 ?誤差源分析

1.1 ?電離層延遲分析

電離層是指在60-1000 km高度的大氣層。在電磁波的作用下，電離層中的中性氣體分子會被部分電離，形成了一個電離區(qū)域。由于高原地區(qū)復雜的大氣，使得GPS信號在傳播過程中穿越電離層時，GPS信號傳播得速度會發(fā)生變化，GPS信號的傳播路徑也會產生彎曲，GPS信號的傳播時間乘以光在真空中的速度獲得的距離偏離真值，從而會產生信號的電離層延遲。

2 ?數(shù)據(jù)質量指標分析

2.1 ?數(shù)據(jù)分析工具

HGO數(shù)據(jù)處理軟件包的主要功能是GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理和GNSS動態(tài)數(shù)據(jù)處理，此次利用HGO數(shù)據(jù)處理軟件包實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉換，將中海達觀測數(shù)據(jù)文件的格式轉換為RINEX格式。

TEQC（Translation， Editing and Quality Checking）由UNAVCO Facility開發(fā)，是用于多種GNSS系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)預處理軟件[5]。TEQC能夠進行數(shù)據(jù)格式轉換、數(shù)據(jù)編輯和數(shù)據(jù)質量檢核等操作[6]。但是由于TEQC無法對數(shù)據(jù)質量檢核的結果進行可視化顯示，所以本文通過QCVIEW32和DOSBox 0.74這兩款軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析的結果的成圖顯示[7]。

2.2 ?數(shù)據(jù)質量指標分析

本文主要對IIL2、IIL4、IIL5三個基準點和XJ17、XJ18、XJ20三個觀測點近1年的觀測數(shù)據(jù)通過TEQC軟件進行數(shù)據(jù)質量分析，如多路徑效應、數(shù)據(jù)利用率、周跳比等，并進行統(tǒng)計分析。對IIL2、IIL4、IIL5、XJ17、XJ18、XJ20六個測站分別在2017年12月和2018年3月、6月、9月、12月的測量數(shù)據(jù)進行質量檢核后得到數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

2.2.1 ?多路徑效應分析

IGS（International GPS Service）的數(shù)據(jù)質量檢核表明，對于多路徑來說， 平均值小于0.5的IGS站占比為三分之二， 均值小于0.75的IGS站占比為三分之二[8]。如圖1為XJ18在2018年3月分別在L1頻率和L2頻率上的多路徑效應在QCVIEW32上的成果圖，可以看出XJ18測站的L1頻率的多路徑誤差在230、820歷元處跳變，L2頻率的多路徑誤差在460、830歷元處跳變。從表1和圖2可以看出，L1頻率上的多路徑效應均小于0.5m，L2頻率上的多路徑效應均小于0.75m，符合3/2的IGS站的質量標準;LI、L2頻率的多路徑效應呈現(xiàn)線性正相關，LI頻率的多路徑效應增大則L2頻率的多路徑效應也增大，且L1頻率的多路徑效應與L2頻率的多路徑效應相差不大。IIL5和IIL4的多路徑效應較大且波動明顯，結合理論和實際情況，是IIL5距離江面較近，IIL4附近有樹木遮擋的原因引起的。

2.2.2 ?觀測數(shù)據(jù)與周跳比分析

衛(wèi)星信號的失鎖會使得載波相位觀測值中的整周計數(shù)產生的突變而產生周跳[9]。如果某顆衛(wèi)星在單位歷元的兩個頻率上，檢測到周跳現(xiàn)象，則說明該歷元產生周跳情況。觀測數(shù)據(jù)與周跳比o/slps可以用觀測值總數(shù)/周跳數(shù)表示，o/slps值的參考值為200，觀測數(shù)據(jù)與周跳比值越大，說明出現(xiàn)的周跳現(xiàn)象越少，數(shù)據(jù)質量越高;也可以用CSR=1000/o/slps表示，CSR不僅反映觀測數(shù)據(jù)的周跳信息，而且也反映接收機周跳修復的能力。IGS的數(shù)據(jù)質量檢測分析顯示，超過半數(shù)的 IGS 站的CSR平均值小于5，2/3以上的CSR平均值小于10[10]。

從表1和圖3可以看出，每個測站的觀測數(shù)據(jù)與周跳比都遠大于參考值，說明出現(xiàn)的周跳現(xiàn)象很少，數(shù)據(jù)質量很高，接收機的周跳修復能力很強。

2.2.3 ?數(shù)據(jù)利用率分析

當測站周圍環(huán)境變化或接收機出現(xiàn)異常時，接收機采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的誤差，或者實際采集的數(shù)據(jù)量小于理論應該采集的數(shù)據(jù)量。因此，需要一個數(shù)據(jù)來評定觀測數(shù)據(jù)的利用效率和測站周圍的環(huán)境。

從表1和圖4可以看出，各測站的數(shù)據(jù)利用率基本都在80%以上，除XJ17站點在2018年3月和2018年12月的數(shù)據(jù)利用率在80%以下。

3 ?結論

本文通過對GNSS觀測數(shù)據(jù)實現(xiàn)質量檢核，對觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差、觀測數(shù)據(jù)與周跳比、數(shù)據(jù)利用率進行了分析，得出以下結論：

L1和L2頻率觀測值的多路徑誤差呈正相關關系;L1、L2頻率的多路徑效應相差不大;部分觀測點因距離水面較近或因樹木遮擋會導致多路徑效應增大且波動明顯。L1、L2頻率的多路徑誤差隨著季節(jié)更替沒有明顯的變化規(guī)律。觀測數(shù)據(jù)與周跳比都遠大于參考值，說明出現(xiàn)的周跳現(xiàn)象很少，數(shù)據(jù)質量很高，接收機的周跳修復能力很強。各測站的數(shù)據(jù)利用率基本都在80%以上，說明各測站周圍環(huán)境變化不大且接收機工作正常。數(shù)據(jù)利用率和觀測值與周跳比隨季節(jié)變化無明顯規(guī)律，其數(shù)值均在一定的區(qū)間內浮動。

參考文獻

[1] 趙慶海， 楊華忠， 萬鑫. GPS觀測數(shù)據(jù)質量與觀測環(huán)境的相關性研究[J]. 全球定位系統(tǒng)， 2009， 34（03）： 7-10+29.

[2] 張建勛， 胡自全. 基于TEQC的橋梁GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)質量分析[J]. 中國高新技術企業(yè)， 2009（9）： 48-50.

[3] 李征航， 黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理（第二版）[M]， 武漢大學出版社， 2011年.

[4] 張慶軍， 袁運斌， 彭小強， 等. GNSS觀測數(shù)據(jù)質量分析軟件設計[J]. 煤炭技術， 2016（4）： 100-102.

[5] Hilla S . A new plotting program for Windows-based TEQC users[J]. Gps Solutions， 2002， 6（3）： 196-200.

[6] 周曉燕， 周乾. TEQC在GPS數(shù)據(jù)分析及多路徑效應中的應用研究[J]. 測繪信息與工程， 2011， 1007-3817（2011）03-0016-04.

[7] 胡玉坤， 劉根友， 沙文東. TEQC軟件下的GPS數(shù)據(jù)質量控制[J]. 測繪通報， 2016（10）：51-53.DOI：10.13474/j.cnki.11-2246. 2016.0327.

[8] 布金偉， 左小清， 常軍， 等. GNSS多星定位數(shù)據(jù)的質量分析[J]. 昆明理工大學學報（自然科學版）， 2017， 42（06）： 24- 36.

[9] 方榮新， 施闖， 魏娜， 等. GPS數(shù)據(jù)質量控制中實時周跳探測研究[J]. 武漢大學學報（信息科學版）， 2009， 34（09）： 1094-1097.

[10] 布金偉， 李小龍， 左小清， 等. Beidou/GPS/GLONASS多系統(tǒng)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)質量比較分析[J]. 地球物理學進展， 2018， 33（01）： 1-9.