上海CORS 站點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)及可視化表達(dá)

陳 浩

（上海市測(cè)繪院，上海 200063）

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)運(yùn)行參考站（continuously operating reference stations, CORS）是空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施最為重要的組成部分，可以獲取各類空間的位置、時(shí)間信息及其相關(guān)的動(dòng)態(tài)變化[1-3]。

上海CORS 由2000 年的上海地區(qū)導(dǎo)航定位綜合應(yīng)用網(wǎng)，經(jīng)過一系列升級(jí)改造后，在2013 年建立了能夠兼容北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）的基準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)系統(tǒng)，目前上海CORS 在全市范圍內(nèi)有10 個(gè)參考站，分布圖如圖1 所示，分別為：崇明東灘（CMDT）、崇明廟鎮(zhèn)（CMMZ）、測(cè)繪院（SHCH）、嘉定（SHJD）、青浦（SHQP）、莘莊（SHXZ）、金山（JSXZ）、寶山（SHBS）、三甲港（SJGN）和臨港新城（LGXC）。自上海CORS 建立以來，為各級(jí)測(cè)繪部門的日常生產(chǎn)和不同精度需求的建設(shè)單位提供了相應(yīng)的技術(shù)服務(wù)，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 上海CORS 基站分布示意圖

本文通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、元數(shù)據(jù)編輯及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查（translation, editing and quality checking,TEQC）軟件數(shù)據(jù)處理并利用矩陣實(shí)驗(yàn)室（matrix laboratory, MATLAB）的可視化，來分析10 個(gè)上海CORS 基準(zhǔn)站中某個(gè)時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，以此判斷基準(zhǔn)站周圍環(huán)境是否發(fā)生改變，確定基準(zhǔn)站點(diǎn)的可靠性、穩(wěn)定性和精度，并結(jié)合實(shí)際案例，針對(duì)發(fā)生位移的基準(zhǔn)站點(diǎn)，通過其穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量來分析該站點(diǎn)是否可以進(jìn)行原地重建工作，可為遇到同類問題的站點(diǎn)提供解決思路。

1 TEQC 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法

美國衛(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（University NAVSTAR Consortium, UVAVCO）開發(fā)的TEQC[4]軟件，可以廣泛地應(yīng)用到全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，主要功能有：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（translation）、數(shù)據(jù)編輯（editing）、以及質(zhì)量檢核（quality checking）[5]，其中質(zhì)量檢查部分對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)中的偽距和相位觀測(cè)量以線性組合的方式來分析載波L1、L2 的多路徑效應(yīng)、信噪比、電離層延遲和周跳等9 個(gè)結(jié)果文件[6]，具體如表1 所示。表1 中：MP (multipath effec)為多路徑效應(yīng)；SNR(signal noise ratio）為信噪比。

本文采用TEQC 軟件輸出的數(shù)據(jù)有效率、MP1、MP2、周跳比（cycle slip ratio, CSR）來對(duì)上海CORS站點(diǎn)某天的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析，其中數(shù)據(jù)有效率表示理論觀測(cè)值個(gè)數(shù)與實(shí)際觀測(cè)值個(gè)數(shù)的比值，MP1、MP2分別表示L1、L2 頻點(diǎn)上的多路徑效應(yīng)對(duì)偽距和相位影響的綜合指標(biāo)。MP1、MP2的其計(jì)算公式為：

表1 TEQC 質(zhì)量檢核生成的結(jié)果文件

式中：P1、P2分別為L1、L2 碼偽距觀測(cè)量；1φ 、φ2分別為L1、L2 載波相位觀測(cè)量；α 為頻率1f 和f2之比的平方。

GNSS 觀測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量反應(yīng)在M1P 、MP2、CSR 值上。根據(jù)國際GNSS 服務(wù)組織（International GNSS Service, IGS）的數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)表明[7-9]，CSR 年平均值小于5，M1P平均值小于0.5 m，MP2平均值小于0.75 m，數(shù)據(jù)有效率應(yīng)大于85%，以此為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上海CORS 數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。

本文選取了2020-02-02—02-11，累計(jì)10 d 的10 個(gè)上海CORS 站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并利用TEQC 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，結(jié)果如表2 所示。

表2 上海CORS 站點(diǎn)10 d GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

從表2 可以看出，上海CORS 的10 個(gè)基準(zhǔn)站CSR 值均低于IGS 站的年平均值，站點(diǎn)數(shù)據(jù)有效率均高于90%，載波L1 和L2 的多路徑效應(yīng)值均符合規(guī)范要求，說明上海CORS 基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量較高，且明顯優(yōu)于IGS 基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)指標(biāo)要求，說明站點(diǎn)周圍的環(huán)境變化對(duì)天線接收衛(wèi)星信號(hào)無影響，不影響CORS 站點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2 TEQC 結(jié)合MATLAB 的可視化表達(dá)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

自上海CORS 建成以來，都會(huì)固定時(shí)間間隔與IGS 站點(diǎn)聯(lián)測(cè)，以保證站點(diǎn)的高精度，從而實(shí)現(xiàn)上海市的現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)框架的維持。在2019 年4 月，發(fā)現(xiàn)測(cè)繪院站點(diǎn)坐標(biāo)異常。上海CORS 對(duì)外服務(wù)采用的方法為所有基準(zhǔn)站點(diǎn)參與組網(wǎng)解算，向用戶播發(fā)解算得到的差分改正值，為了確保上海CORS 系統(tǒng)的精確性和可靠性，將該站點(diǎn)剔除出網(wǎng)，使其不參與組網(wǎng)解算，只記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)。為確保實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（real-time kinematic, RTK）服務(wù)，基準(zhǔn)站網(wǎng)要求站站間距小于70 km。剔除測(cè)繪院站后，上海CORS 仍能夠滿足站站間距小于70 km 的要求，對(duì)外服務(wù)影響不大。同時(shí)通過數(shù)據(jù)中心，每天對(duì)該站點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，觀察是否有進(jìn)一步增大位移的現(xiàn)象。其原因是由于該站點(diǎn)附近正在進(jìn)行武寧路快速化改建工程，距離該站點(diǎn)東北方向約50 m處正在進(jìn)行深基坑施工，導(dǎo)致測(cè)繪院站發(fā)生位移。

為了分析測(cè)繪院站點(diǎn)是否穩(wěn)定，分別選擇2019-03-01、2019-05-01、2019-08-01、2019-12-01、2020-02-01 以及2020-03-01 的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算得到相應(yīng)的坐標(biāo)值，如表3 所示。

表3 不同時(shí)期的測(cè)繪院站點(diǎn)坐標(biāo)

并以最近一次與IGS 站點(diǎn)聯(lián)測(cè)解算的坐標(biāo)值為基準(zhǔn)點(diǎn)，繪制坐標(biāo)變化圖如圖2 所示。

圖2 不同時(shí)期的測(cè)繪院站點(diǎn)坐標(biāo)與基準(zhǔn)坐標(biāo)值差值

從表1 可以看出，測(cè)繪院站點(diǎn)坐標(biāo)趨于穩(wěn)定，可以繼續(xù)使用，但是從長遠(yuǎn)角度看，武寧路快速路通車以及地鐵通行后，震動(dòng)會(huì)比較大，需待施工結(jié)束后進(jìn)一步評(píng)估震動(dòng)是否符合CH/T 2008-2005《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范》的規(guī)范要求。

本著慎重對(duì)待基準(zhǔn)框架的原則，先期在測(cè)繪院內(nèi)勘選新的站點(diǎn)，基準(zhǔn)站站址一般滿足附近200 m無劇烈振動(dòng)，無無線電臺(tái)、無微波通訊等設(shè)備，視線高度角15°以上無阻擋物。同時(shí)，在站點(diǎn)布設(shè)前，須采用雙頻GNSS 接收機(jī)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)采集數(shù)據(jù)24 h，采用GNSS 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件TEQC 對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核，分析該站GNSS 數(shù)據(jù)的電離層延遲、多路徑影響等。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)通訊、衛(wèi)星接收狀況以及電力設(shè)施等條件，測(cè)繪院C 樓、D 樓樓頂均滿足布設(shè)新基準(zhǔn)站的條件，相應(yīng)結(jié)果如表4 所示。

表4 測(cè)試點(diǎn)位數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

由表4 可知，測(cè)繪院原站點(diǎn)數(shù)據(jù)有效率較高，從目前的數(shù)據(jù)質(zhì)量角度選擇，適合在原址進(jìn)行修復(fù)重建，本文結(jié)合MATLAB 的可視化表達(dá)進(jìn)一步探究該點(diǎn)位的數(shù)據(jù)質(zhì)量。圖3～圖6 給出了全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）的衛(wèi)星可見性、位置精度衰減因子（position dilution of precision, PDOP），水平精度衰減因子（horizontal dilution of precision, HDOP）以及垂直精度衰減因子（vertical dilution of precision, VDOP）。

圖3 GPS 以及BDS 衛(wèi)星可見數(shù)

圖4 GPS 以及BDS 的PDOP 值

圖5 GPS 以及BDS 衛(wèi)星HDOP 值

圖6 GPS 以及BDS 衛(wèi)星VDOP 值

從圖3 可以看出，任何時(shí)刻測(cè)試點(diǎn)位均能滿足接收到GPS、BDS 各4 顆衛(wèi)星的條件，最多時(shí)分別可接收到11、12 顆衛(wèi)星信號(hào)，說明測(cè)試點(diǎn)位數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

在GNSS 定位數(shù)據(jù)質(zhì)量分析中，可以用3 種精度衰減因子（dilution of precision, DOP）來衡量觀測(cè)衛(wèi)星的空間幾何分布對(duì)定位精度的影響[10-12]，圖4～圖6 分別表示3 維（3D）位置的幾何精度因子PDOP、2 維（2D）水平位置幾何精度因子HDOP以及垂直（高程）幾何精度因子VDOP。其中，幾何精度因子的值越小觀測(cè)值精度越高，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后期處理可以看到，GPS、BDS 的DOP值均較小，反應(yīng)出測(cè)繪院點(diǎn)位的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，BDS 的PDOP 均值為2.8，大于GPS 的1.5，原因?yàn)锽DS 主要以傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous orbits,IGSO）和地球靜止軌道衛(wèi)星 (geostationary Earth orbits,GEO)衛(wèi)星為主，在亞太地區(qū)衛(wèi)星數(shù)可見數(shù)較多；BDS 的HDOP 均值為1.7 左右，與GPS 的1.4 相當(dāng)；BDS的VDOP 均值為2.8，高于GPS 的1.6。

圖7 和圖8 給出了GPS 以及BDS 的天空?qǐng)D。

圖7 GPS 衛(wèi)星天空?qǐng)D

圖8 BDS-2 衛(wèi)星天空?qǐng)D

從圖8 可以看出， BDS 衛(wèi)星可見性較差，是因?yàn)闇y(cè)試用的接收機(jī)為 Trimble NetR9，只能接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)即北斗二號(hào)（BeiDou navigation satellite (regional) system, BDS-2）衛(wèi)星信號(hào)，而可以接收GPS 全星座的衛(wèi)星信號(hào)，從圖7 可以看出，該測(cè)試點(diǎn)位的衛(wèi)星接收狀態(tài)較好，滿足4 顆的最低要求，側(cè)面反映出數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

為了比較站點(diǎn)接收到的不同軌道高度的BDS、GPS 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量，分別繪制了MP、信噪比（signal noise ratio, SNR）之間的關(guān)系，如圖9～圖12 所示。對(duì)于BDS 分別選取了具有代表性的GEO C01 衛(wèi)星、IGSO C07 衛(wèi)星、中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）C16 衛(wèi)星，并與GPS G01 衛(wèi)星進(jìn)行比較，可以看出多路徑MP 值與高度角負(fù)相關(guān)，即高度角越高，MP 值越?。籅DS B1 頻率的MP 值均小于B2，GPS 衛(wèi)星L1頻率的MP 值大于L2； BDS、GPS 的SNR 值相近，均維持在較低水平體現(xiàn)出站點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

圖9 C01 衛(wèi)星MP 值以及SNR 值隨高度角的變化圖

圖10 C07 衛(wèi)星MP 值以及SNR 值隨高度角的變化圖

圖11 C16 衛(wèi)星MP 值以及SNR 值隨高度角的變化圖

圖12 G01 衛(wèi)星MP 值以及SNR 值隨高度角的變化圖

3 結(jié)束語

利用TEQC 對(duì)GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，可以得到詳細(xì)的分析統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值，包括MP1、MP2、CSR 等，這些指標(biāo)可以定量分析觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。結(jié)合MATLAB 進(jìn)行繪圖分析，更可以直觀地反映出數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)于基準(zhǔn)站點(diǎn)周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)具有重要意義，同時(shí)也能夠?qū)φ军c(diǎn)位移情況進(jìn)行有效的分析和檢測(cè)，為同類問題提供1 個(gè)很好地處理方法。