河北省GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

郭亞亞，張玉林，任俊峰，王嘉琦

（河北省地震局 承德中心臺(tái)，河北 承德 067000）

0 引言

GNSS經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在多個(gè)行業(yè)發(fā)揮了重要作用。為了加強(qiáng)GNSS數(shù)據(jù)的利用率，越來(lái)越多的用戶參與數(shù)據(jù)共享[1]。本文收集了河北省地理信息測(cè)繪局共享的59個(gè)GNSS測(cè)站數(shù)據(jù)，但由于這些臺(tái)站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、觀測(cè)設(shè)備種類(lèi)、運(yùn)管程度等與地殼形變監(jiān)測(cè)要求不同，其數(shù)據(jù)能否應(yīng)用于地殼形變監(jiān)測(cè)尚未可知，因此亟需對(duì)上述站點(diǎn)GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。本文使用TEQC軟件從觀測(cè)值有效率、多路徑影響、周跳3個(gè)方面對(duì)上述59個(gè)測(cè)站2019年1—9月的觀測(cè)數(shù)據(jù)做出可用性評(píng)價(jià)，并分析影響數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量的因素。

1 TEQC軟件介紹

TEQC軟件是由美國(guó)UNAVCO Facility機(jī)構(gòu)專門(mén)為地學(xué)研究開(kāi)發(fā)研制的軟件，可以自由下載，目前可以運(yùn)行于Unix、Linux、Mac OS以及Windows的DOS等系統(tǒng)界面中，功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用。它主要包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)三大功能，附帶的繪圖包可以繪制隨著衛(wèi)星方位角/高度角的變化，多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星信號(hào)信噪比、電離層延遲及電離層延遲變化率等圖形，本文中主要使用的是其質(zhì)量檢核功能。其基本原理是通過(guò)偽距和相位觀測(cè)量的線性組合，計(jì)算出L1、L2觀測(cè)量的多路徑效應(yīng)、鐘漂和周跳等，以文件的形式輸出結(jié)果[2-3]。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)

在DOS窗口輸入質(zhì)量檢核命令后，生成一系列文件，包含GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)的幾個(gè)重要參數(shù)：數(shù)據(jù)有效率、多路徑誤分析、觀測(cè)值和周跳比。

2.1 觀測(cè)值有效率

觀測(cè)值有效率是實(shí)際歷元數(shù)與理論歷元數(shù)的比值：

觀測(cè)值有效率反映的是觀測(cè)時(shí)段內(nèi)觀測(cè)環(huán)境遮擋和接收機(jī)的接收中斷情況。按《地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》要求，數(shù)據(jù)有效率需達(dá)到85%以上。

2.2 多路徑效應(yīng)（MP1、MP2）

多路徑效應(yīng)是指接收機(jī)除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，還同時(shí)收到天線周?chē)矬w反射的衛(wèi)星信號(hào)，這些信號(hào)相互干涉而產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合信號(hào)，影響碼和相位的量測(cè)，從而使觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差[4]。在高反射環(huán)境下，影響顯著增大，嚴(yán)重時(shí)還將引起信號(hào)的失鎖，是GNSS測(cè)量中一種重要的誤差源。

TEQC中反映多路徑效應(yīng)的是MP1、MP2。MP1表示L1波段上的多路徑效應(yīng)，MP2表示L2波段上的多路徑效應(yīng)，一般GNSS建站的多路徑效應(yīng)影響應(yīng)不大于0.5 m。

2.3 周跳比（O/Slps）

接收機(jī)需要持續(xù)追蹤衛(wèi)星信號(hào)，以記錄載波相位整周數(shù)具體變化的情況，但因?yàn)榄h(huán)境因素或接收機(jī)故障等原因，導(dǎo)致接收機(jī)不能連續(xù)跟蹤信號(hào)，當(dāng)再次追蹤到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，其記錄到的載波相位觀測(cè)中整周計(jì)數(shù)不連續(xù)，這種現(xiàn)象稱為周跳[5-6]。

其中：O為觀測(cè)值個(gè)數(shù)；Slps為周跳次數(shù)。周跳比O/Slps值的參考值為200，O/Slps值越大數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，越小說(shuō)明出現(xiàn)周跳越嚴(yán)重。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

3.1 均值分析

利用TEQC的質(zhì)量檢核功能對(duì)河北省地理信息局59個(gè)GNSS測(cè)站2019年1—9月的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行分析，觀測(cè)值有效率、多路徑效應(yīng)、周跳比統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1、圖1～2。觀測(cè)值有效率在85%以上的測(cè)站58個(gè)，占測(cè)站總數(shù)的98.31%。其中18個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)有效率高達(dá)99%，接近全部有效，只有SZJO測(cè)站數(shù)據(jù)有效率為83.86%，低于85%，不滿足《中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》的要求。MP1小于0.50 m（含0.50 m）的測(cè)站有53個(gè)，占測(cè)站總數(shù)的89.83%；MP2小于0.50 m（含0.50 m）的測(cè)站有42個(gè)，占測(cè)站總數(shù)的71.19%；O/Slps大于200（不含200）的有55個(gè)，占測(cè)站總數(shù)的93.22%，SW01、SZHJ、SZKB、SZLF、SZWX 5個(gè)測(cè)站，周跳比較小。

圖1 GNSS測(cè)站有效率統(tǒng)計(jì)

表1 河北省地理信息局GNSS測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

續(xù)表1

3.2 時(shí)間序列分析

對(duì)2019年1—9月 均 值 較 差 的SW01、SZHJ、SZJO、SZLF、SZWX、SZKB6個(gè)測(cè)站，取單日解算均值做時(shí)間序列分析。從時(shí)間序列圖3～4看，除SW01、SZLF和SZKB 3個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)有效率總體較好外，其他數(shù)據(jù)參數(shù)測(cè)值均較差，但各測(cè)站數(shù)據(jù)總體變化趨勢(shì)不同。

圖3 2019年1—9月SW01、SZHJ、SZJO測(cè)站數(shù)據(jù)有效率、多路徑效應(yīng)MP1、MP2、周跳比時(shí)間序列

SW01測(cè)站在第88天后周跳比基本小于200；SZHJ測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量在第50天有明顯下降趨勢(shì)，到107天數(shù)據(jù)有效率低于85%，同時(shí)MP1、MP2值變大，周跳比減??；SZJO測(cè)站在第105天后周跳比開(kāi)始小于200，同時(shí)數(shù)據(jù)有效率低于85%；SZWX測(cè)站1—6月的多路徑效應(yīng)嚴(yán)重，MP1、MP2值在1.2～3.0之間，在第177天之后恢復(fù)到0.5～0.6之間，仍大于0.5，同時(shí)段數(shù)據(jù)有效率恢復(fù)到85%以上；SZKB測(cè) 站1—6月 的MP1、MP2值 在0.55～0.70之 間，174天之后基本下降到0.5以下，174～273天周跳比均值為213，各參數(shù)值均符合《中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)技術(shù)規(guī)程》的要求。

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量影響因素分析

用GAMIT程序的psconvert和ps2raster模塊對(duì)均 值 較 差 的SW01、SZHJ、SZJO、SZKB、SZLF、SZWX 6個(gè)測(cè)站2019年1—9月的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)做解算，產(chǎn)出每個(gè)測(cè)站的單天相位殘差圖，評(píng)估多路徑效應(yīng)和接收機(jī)性能等因素對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

從圖5中可以看出，SW01測(cè)站接收機(jī)不能完整記錄衛(wèi)星運(yùn)行軌跡，提示測(cè)站周邊遮擋嚴(yán)重或接收機(jī)故障，SZHJ、SZJO、SZKB、SZLF、SZWX測(cè)站的相位殘差較大，尤其是SZWX測(cè)站毛刺很大，提示測(cè)站周邊為高反射環(huán)境，有鏡面反射的樓體或水面[7-8]。

圖5 SW01、SZHJ、SZJO、SZKB、SZLF、SZWX測(cè)站2019年第3天相位天空?qǐng)D

由圖6看出，SW01測(cè)站在各個(gè)高度角分段內(nèi)觀測(cè)到衛(wèi)星的歷元數(shù)明顯偏少，表明測(cè)站周邊凈空環(huán)境有遮擋；SZHJ、SZJO、SZKB、SZLF、SZWX測(cè)站，中間紅色趨勢(shì)線長(zhǎng)時(shí)間偏離藍(lán)色中線，表明衛(wèi)星受到電磁干擾，短時(shí)偏離藍(lán)色中線可能存在大氣延遲誤差[8]。

圖6 SW01、SZHJ、SZJO、SZKB、SZLF、SZWX測(cè)站2019年第3天相位與高度角殘差圖

綜上所述，SW01、SZHJ、SZJO、SZLF、SZWX、SZKB各測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的主要原因是環(huán)境干擾和儀器故障。如SZWX測(cè)站第177天數(shù)據(jù)質(zhì)量驟然提高，極大可能是更換設(shè)備，而SW01和SZLF測(cè)站多路徑效應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間處于穩(wěn)定的高值范圍，是否因測(cè)站觀測(cè)環(huán)境發(fā)生改變，都需要到站點(diǎn)異常核實(shí)。建議現(xiàn)場(chǎng)考察測(cè)站環(huán)境，若為樹(shù)木遮擋，可定期修剪，注意環(huán)境維護(hù)；若為低矮山體或樓房遮擋，可選取適當(dāng)?shù)母叨冉刂菇?，盡量接收高緯度的衛(wèi)星；對(duì)于故障率較高的測(cè)站，加強(qiáng)巡檢，及時(shí)維修。

5 結(jié)論

1）通過(guò)分析河北省地理信息局59個(gè)GNSS測(cè)站2019年1—9月的數(shù)據(jù)質(zhì)量，得到如下結(jié)論：①大部分測(cè)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，數(shù)據(jù)有效率大于90%，多路徑效應(yīng)MP1、MP2小于0.5 m，觀測(cè)值與周跳比O/Slps值高于200，1/3測(cè)站的O/Slps值大于5 000。

表明基準(zhǔn)站觀測(cè)環(huán)境良好，儀器運(yùn)行正常，滿足地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)要求；②11個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)影響較大，如能通過(guò)改善觀測(cè)環(huán)境或運(yùn)用數(shù)據(jù)后處理等方式減小多路徑效應(yīng)MP1、MP2的影響，可用于地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)；③SW01、SZHJ、SZJO、SZLF、SZWX 5個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，不建議用于地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)；④SZKB測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量在2019年6月后明顯提升，達(dá)到地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)要求。

圖2 GNSS測(cè)站MP1、MP2統(tǒng)計(jì)

圖4 2019年1—9月SZLF、SZWX、SZKB測(cè)站數(shù)據(jù)有效率和多路徑效應(yīng)MP1、MP2、周跳比時(shí)間序列

2）環(huán)境干擾和儀器故障，是影響GNSS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素[3]。建議建臺(tái)選址時(shí)對(duì)周?chē)h(huán)境嚴(yán)格把關(guān)，同時(shí)注意環(huán)境與儀器維護(hù)，減小多路徑效應(yīng)影響與周跳。