跨區(qū)域CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站選址測(cè)試數(shù)據(jù)處理與分析研究

李江衛(wèi)，汪培，李甜

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

跨區(qū)域CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站選址測(cè)試數(shù)據(jù)處理與分析研究

李江衛(wèi)?，汪培，李甜

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

討論了跨區(qū)域CORS系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中基準(zhǔn)站站址測(cè)試數(shù)據(jù)處理的流程與方法，提出了從觀測(cè)數(shù)據(jù)完好性、數(shù)據(jù)質(zhì)量、單點(diǎn)定位結(jié)果以及基線解算等四個(gè)方面對(duì)CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站選址進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，并結(jié)合武漢城市圈CORS系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)例進(jìn)行分析。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，表明本文提出的CORS系統(tǒng)站址測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法能夠較客觀地反映基準(zhǔn)站的觀測(cè)環(huán)境和外界干擾情況，對(duì)保障CORS系統(tǒng)的連續(xù)正常運(yùn)行具有積極意義。

數(shù)據(jù)完好性；多路徑效應(yīng)；信噪比；單點(diǎn)定位；基線重復(fù)性

1 概 述

CORS系統(tǒng)的建立包括基準(zhǔn)站站址選擇、觀測(cè)墩設(shè)計(jì)與建造、網(wǎng)絡(luò)布設(shè)等工作，在基準(zhǔn)站點(diǎn)位觀測(cè)條件良好的情況下，無(wú)需對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，CORS系統(tǒng)往往也運(yùn)行得非常有效，即使是某一基準(zhǔn)站的觀測(cè)質(zhì)量或者是某一時(shí)段數(shù)據(jù)質(zhì)量的不穩(wěn)定，系統(tǒng)核心軟件GPSNET可自動(dòng)剔除和修復(fù)一些觀測(cè)數(shù)據(jù)中的粗差或周跳，因此對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行沒有明顯的影響。

但跨區(qū)域CORS系統(tǒng)建設(shè)中，一般相鄰基準(zhǔn)站基線較長(zhǎng)，為了確保GPS解算質(zhì)量以及大區(qū)域CORS系統(tǒng)的運(yùn)行，特別是在擬選基準(zhǔn)站站址環(huán)境不是較理想，如可能存在的外界電磁干擾、點(diǎn)位視場(chǎng)受限等情況下，在建站之初，通過(guò)一定時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的質(zhì)量分析，從而更清楚地了解擬建站點(diǎn)周邊環(huán)境是否存在對(duì)基準(zhǔn)站的干擾、是否有引起多路徑效應(yīng)的反射物以及電離層對(duì)流層的影響情況，對(duì)確保系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量具有重要意義。

本文結(jié)合武漢城市圈CORS系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)例，從觀測(cè)數(shù)據(jù)完好性、數(shù)據(jù)質(zhì)量、單點(diǎn)定位結(jié)果以及基線解算重復(fù)性等四個(gè)方面對(duì)CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站選址數(shù)據(jù)處理與分析進(jìn)行研究。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)完好性

對(duì)于CORS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，基準(zhǔn)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)直接影響網(wǎng)絡(luò)基線模糊度固定的時(shí)間和效率、空間相關(guān)誤差建模的精確性、系統(tǒng)可用性以及用戶初始化時(shí)間等?；鶞?zhǔn)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)完好性包括三個(gè)方面:一是數(shù)據(jù)缺失，即某一歷元接收機(jī)所有類型的觀測(cè)值未完整記錄；二是歷元缺失，即某一歷元某可見衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)未記錄；三是衛(wèi)星星歷信息的完整性和可用性?；鶞?zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)完好性分析可從完好觀測(cè)值比例和無(wú)效觀測(cè)值兩方面進(jìn)行分析。

(1)基準(zhǔn)站完好觀測(cè)值比例。完好性觀測(cè)值比例＝完好觀測(cè)值總數(shù)/預(yù)計(jì)的觀測(cè)總數(shù)，該數(shù)值可反應(yīng)基準(zhǔn)站站址附近的遮擋、多路徑、無(wú)線電干擾等綜合影響，同時(shí)也可決定天線墩的架設(shè)高度。對(duì)于CORS系統(tǒng)而言，一般要求該數(shù)值不應(yīng)低于90%。

(2)無(wú)效觀測(cè)值分析。無(wú)效觀測(cè)值包括以下四類:無(wú)L1、無(wú)L2，無(wú)P1、無(wú)P2，一般而言，如果發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)遮擋，則會(huì)丟失全部信號(hào)，如果發(fā)生有L1但無(wú)L2或有P1但無(wú)P2的情況，則表明L2頻帶上存在較強(qiáng)干擾，不利于作為基準(zhǔn)站連續(xù)觀測(cè)。無(wú)效數(shù)據(jù)與完好觀測(cè)值個(gè)數(shù)之比應(yīng)小于5%。

武漢城市圈CORS系統(tǒng)鄂州、仙桃、潛江、天門四市基準(zhǔn)站建設(shè)中，分別進(jìn)行了連續(xù)24 h的數(shù)據(jù)測(cè)試，數(shù)據(jù)采樣率為1 s、截止高度角10°，表1為4個(gè)基準(zhǔn)站測(cè)試觀測(cè)數(shù)據(jù)完好性統(tǒng)計(jì)表。

由表1數(shù)據(jù)表明:4個(gè)基準(zhǔn)站站址測(cè)試數(shù)據(jù)良好，截止高度角10°以上完好觀測(cè)值比例均在95%以上，滿足CORS建設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)完好性的要求。在建設(shè)實(shí)施過(guò)程中，觀測(cè)墩高度一般在2 m左右，可減少GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)受站址視場(chǎng)、多路徑等的影響，從而進(jìn)一步提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的完好性和數(shù)據(jù)質(zhì)量。

基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)完好性統(tǒng)計(jì)表 表1

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站站址附近若存在較強(qiáng)的外界電磁干擾，將會(huì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成較大影響，從而影響CORS系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行和精度定位，因此有必要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行分析。

3.1 多路徑效應(yīng)影響分析

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，基準(zhǔn)站接收機(jī)天線除接收直接來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)外，還接收到周圍物體反射回來(lái)的信號(hào)。直射信號(hào)和反射信號(hào)通過(guò)不同路徑到達(dá)同一固定的接收天線，雖在發(fā)射時(shí)刻上有共同的時(shí)間起點(diǎn)，但到達(dá)時(shí)刻不同，并兼而存在相對(duì)相位偏移，信號(hào)的幅度也發(fā)生了相對(duì)變化，這便造成了接收信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的結(jié)構(gòu)畸變，從而影響碼和相位的量測(cè)，形成了多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)嚴(yán)重時(shí)將引起載波相位觀測(cè)值的頻繁周跳甚至信號(hào)失鎖，其對(duì)載波相位的最大影響可達(dá)其波長(zhǎng)的1/4周，而對(duì)偽距的影響遠(yuǎn)大于載波，其誤差可達(dá)幾米到幾十米，嚴(yán)重影響CORS系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行和實(shí)時(shí)定位精度。

其中多路徑效應(yīng)可用式(1)和式(2)的組合量來(lái)檢核其影響:

式中，P1、P2為雙頻偽距觀測(cè)值；L1、L2為雙頻載波相位觀測(cè)值；M1、M2為雙頻偽距的多路徑效應(yīng)；m1、m2為雙頻載波相位觀測(cè)值的多路徑效應(yīng)；n1、n2為相位整周模糊度；f1、f2、λ1、λ2分別為載波頻率和波長(zhǎng)。若無(wú)周跳發(fā)生，則B1、B2為常量，而m1、m2遠(yuǎn)小于M1、M2，因此，MP1、MP2主要是偽距的多路徑效應(yīng)的影響，可用來(lái)衡量多路徑效應(yīng)的影響程度。

測(cè)試數(shù)據(jù)處理后的MP1和MP2值反映了在L1和L2頻率上的多路徑效應(yīng)的影響，當(dāng)MP1和MP2分別大于0.4 m和0.6 m時(shí)，則該地點(diǎn)不適宜作為基準(zhǔn)站點(diǎn)。

3.2 信噪比強(qiáng)度分析

GPS信號(hào)功率比較客觀地反映了衛(wèi)星在軌狀態(tài)、測(cè)站環(huán)境等因素，是衡量觀測(cè)值質(zhì)量的指標(biāo)之一。信噪比(SNR)指載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，單位為分貝－赫茲(dB－HZ)。目前絕大多數(shù)接收機(jī)采用信噪比(SNR)或載波與噪聲的功率密度比(c/n0，信噪比強(qiáng)度)來(lái)表征GPS信號(hào)功率，即在GPS接收機(jī)鎖相環(huán)1 Hz帶寬上，載波信號(hào)與觀測(cè)噪聲的功率之比。信噪比強(qiáng)度可用下式表示:

信噪比強(qiáng)度反應(yīng)了接收到的衛(wèi)星信號(hào)與噪聲的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)噪聲較大、特別是存在可能的外界電磁干擾情況下將嚴(yán)重影響GPS信號(hào)質(zhì)量。對(duì)CORS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般要求c/n0平均值應(yīng)在15以下。

本文選取2010年4月10日的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多路徑效應(yīng)和信噪比強(qiáng)度分析。限于篇幅所限，僅僅列出潛江基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

CORS系統(tǒng)要求基準(zhǔn)站接收到的衛(wèi)星數(shù)在6顆以上，圖1、圖2表明潛江基準(zhǔn)站24 h內(nèi)任意時(shí)刻跟蹤并記錄的衛(wèi)星數(shù)至少為7顆；多路徑影響與周邊環(huán)境、天線架設(shè)高度等有關(guān)。潛江基準(zhǔn)站24 h的MP1、MP2平均值分別為0.226 040 m和0.287 824 m，圖3也表明潛江基準(zhǔn)站1 h內(nèi)的L1多路徑效應(yīng)誤差平均值在0.4 m以下；圖4表明潛江基準(zhǔn)站1 h的電離層延遲變化率平穩(wěn)，上下波動(dòng)較??；圖5表明1 h內(nèi)潛江基準(zhǔn)站L1、L2的信噪比強(qiáng)度均在15以下。

通過(guò)上述分析，表明潛江基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，滿足CORS系統(tǒng)構(gòu)網(wǎng)和連續(xù)運(yùn)行的要求。

圖1 潛江站24 h衛(wèi)星天空視圖

圖2 潛江站24 h衛(wèi)星高度角變化圖

圖3 潛江站1 h L1多路徑效應(yīng)圖

圖4 12號(hào)衛(wèi)星1 h電離層延遲變化

圖5 12號(hào)衛(wèi)星1 h L1、L2信噪比

4 單點(diǎn)定位分析

由于偽距受多路徑效應(yīng)和電磁干擾的影響較載波相位大，因此偽距定位結(jié)果可以比較直接地反應(yīng)接收到的GPS信號(hào)質(zhì)量情況。目前，在使用廣播星歷情況下，偽距單點(diǎn)定位的精度一般在10 m左右。為進(jìn)一步分析基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，可對(duì)其偽距實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位結(jié)果進(jìn)行處理。即衛(wèi)星鐘差利用廣播星歷改正、對(duì)流層延遲和電離層延遲利用模型改正、接收機(jī)鐘差和測(cè)站坐標(biāo)作為參數(shù)，利用最小二乘法進(jìn)行單歷元偽距單點(diǎn)定位。采用的單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型為式(4)。

dtR為接收機(jī)鐘差(為待估參數(shù))。

dtS為衛(wèi)星鐘差；

(Vion)i、(Vtrop)i分別為電離層延遲對(duì)流層延遲。

將觀測(cè)期間偽距單點(diǎn)定位解的平均值作為最或然值，據(jù)此可得到每一歷元偽距觀測(cè)值的殘差V，可按照式(2)計(jì)算殘差中誤差m。式(5)中:n為偽距觀測(cè)值的個(gè)數(shù)。

圖6為潛江基準(zhǔn)站1 h測(cè)試數(shù)據(jù)所得到的偽距單點(diǎn)定位平均值與歷元解的差值的時(shí)間變化曲線。圖中X方向的坐標(biāo)差值在－4 m～－7 m之間；Y方向的坐標(biāo)差值基本在2 m～8 m；Z方向的坐標(biāo)差值在1 m～6 m之間，其解算結(jié)果與廣播星歷的定位精度相當(dāng)。

圖6 潛江基準(zhǔn)站偽距單點(diǎn)定位坐標(biāo)差

圖7 潛江基準(zhǔn)站偽距單點(diǎn)定位的殘差中誤差

圖7為逐歷元偽距單點(diǎn)定位解與1 h偽距單點(diǎn)定位平均值的殘差中誤差變化曲線，其值介入3.5 m～5.5 m之間。圖8表明潛江基準(zhǔn)站測(cè)試數(shù)據(jù)采用廣播星歷的偽距單點(diǎn)定位結(jié)果穩(wěn)定，只是在前200歷元變化相對(duì)較大，可能是由于本次測(cè)試所采用的5700接收機(jī)鐘差較大、鐘漂不穩(wěn)定所引起，另外也有可能是站址電磁干擾導(dǎo)致。但總體而言，測(cè)試數(shù)據(jù)偽距單點(diǎn)定位精度滿足要求。

5 基線解算

在CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站站址測(cè)試數(shù)據(jù)處理中，需對(duì)基準(zhǔn)站多時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，通過(guò)與已建基準(zhǔn)站進(jìn)行基線解算可進(jìn)一步分析站址測(cè)試數(shù)據(jù)的載波相位信號(hào)質(zhì)量?；€解算可分別采用精密星歷和高精度處理軟件(如GAMIT)以及廣播星歷和商業(yè)軟件(如TGO)進(jìn)行。

各時(shí)段基線向量的重復(fù)性反映了基線解的內(nèi)部精度，是衡量基線解質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為:

式中:Ci是各時(shí)段解基線的各分量，是相應(yīng)分量的協(xié)方差，為相應(yīng)基線分量的加權(quán)平均值，R為基線的重復(fù)性。

整網(wǎng)的重復(fù)精度可用固定誤差和比例誤差兩部分表示，即:

式中:σ為基線重復(fù)性精度指標(biāo)；a為基線解的固定誤差；b為基線解的比例誤差；l為基線長(zhǎng)度。整網(wǎng)的重復(fù)精度可由各基線的固定誤差與比例誤差線性擬合得到。

本文選取武漢城市圈CORS系統(tǒng)10個(gè)基準(zhǔn)站2天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣率為30 s。采用GAMIT10.32進(jìn)行解算，分時(shí)段分別進(jìn)行，得到基線單天解。為提高基線解算精度，在基線解算中對(duì)以下4個(gè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)考慮:①在基線處理時(shí)，加入WUHN、SHAO、BJFS共3個(gè)IGS站進(jìn)行聯(lián)合解算；②對(duì)流層折射根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣參數(shù)用Saastamoinen模型改正:采用分段線形的方法估算折射量偏差參數(shù)，每2 h估計(jì)參數(shù)，考慮到大氣水平向的各向異性，每24 h估計(jì)一次東西、南北向的梯度；③電離層折射影響:采用LC _HELP觀測(cè)值消除；④設(shè)置初始坐標(biāo)及約束。聯(lián)測(cè)的IGS站坐標(biāo)采用SOPAC提供的ITRF2005框架、瞬時(shí)歷元坐標(biāo)，并分別設(shè)置N、E、H方向0.05 m、0.05 m和 0.1 m的松弛約束，武漢城市圈CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站點(diǎn)的初始坐標(biāo)為RINEX坐標(biāo)，N、E、H方向分別給以10.0 m、10.0 m和20.0 m的松弛約束。處理后，基線的整體重復(fù)性精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

基線向量重復(fù)性統(tǒng)計(jì)表 表2

從表2可以看出，基線分量重復(fù)性都很高。整體重復(fù)性在南北方向上為0.6 mm＋0.2×10－8l，在東西方向上為1.0 mm＋0.1×10－8l；垂直方向?yàn)?.2 mm＋0.1×10－8l；基線長(zhǎng)度方向?yàn)?.0 mm＋0.1×10－8l，達(dá)到了《全球定位定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》關(guān)于B級(jí)GPS網(wǎng)的精度要求。

在CORS系統(tǒng)運(yùn)行期間，一般采用廣播星歷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此本文選取潛江基準(zhǔn)站4 h的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用廣播星歷與武漢城市圈CORS系統(tǒng)蔡甸、黃陂、新洲、漢南、東湖、勘測(cè)、鄂州7個(gè)基準(zhǔn)站選用TGO軟件進(jìn)行了基線處理。基線解算采用Iono_Free組合觀測(cè)值，基線報(bào)告如表3所示。

基準(zhǔn)站廣播星歷基線處理報(bào)告 表3

計(jì)算結(jié)果表明:潛江站址測(cè)試數(shù)據(jù)與武漢城市圈CORS系統(tǒng)期其他基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用廣播星歷均可得到基線固定解，其中最長(zhǎng)基線為191.0 km (潛江－鄂州)、最短基線為111.1 km(潛江－蔡甸)，所有基線解算的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如RATIO均大于3、RDOP均小于5、RMS均小于0.02 m，滿足規(guī)范關(guān)于C級(jí)網(wǎng)基線精度的相關(guān)要求。

在武漢城市圈CORS系統(tǒng)建設(shè)中，先期完成了武漢市內(nèi)蔡甸、黃陂、新洲、漢南、東湖、勘測(cè)6個(gè)基準(zhǔn)站，鄂州、仙桃、潛江、天門基準(zhǔn)站則根據(jù)各地實(shí)際需求分期實(shí)施完成。后續(xù)建設(shè)的4個(gè)基準(zhǔn)站與已建基準(zhǔn)站的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，相鄰基準(zhǔn)站之間最長(zhǎng)基線達(dá)到了118 km(天門－黃陂)，且為維護(hù)方便和安全管理的需要，基準(zhǔn)站初選一般位于建筑物樓頂，其中潛江、鄂州基準(zhǔn)站均存在一定程度的周邊高層建筑遮擋，因此采用常規(guī)方法進(jìn)行基準(zhǔn)站站址測(cè)試的分析與評(píng)價(jià)，可能不能客觀、真實(shí)地反映基準(zhǔn)站觀測(cè)環(huán)境，從而影響CORS系統(tǒng)的連續(xù)正常運(yùn)行。在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，武漢市外4個(gè)基準(zhǔn)站均按本文所述的方法和流程進(jìn)行了基準(zhǔn)站測(cè)試數(shù)據(jù)處理與分析，處理結(jié)果在滿足相關(guān)規(guī)范的要求下，才確認(rèn)建立基準(zhǔn)站。從建成后的效果看，各基準(zhǔn)站運(yùn)行穩(wěn)定，全天模糊度固定公共衛(wèi)星均在6顆以上，系統(tǒng)可用性均在95%以上，可為用戶提供實(shí)時(shí)、可靠、連續(xù)的高精度定位服務(wù)。圖8為武漢城市圈CORS系統(tǒng)構(gòu)網(wǎng)圖。

圖8 武漢城市圈CORS系統(tǒng)構(gòu)網(wǎng)圖

6 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)雜情況下基準(zhǔn)站站址的合理選取是保障跨區(qū)域CORS系統(tǒng)建成后連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一。本文提出了從基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)完好性、數(shù)據(jù)質(zhì)量、單點(diǎn)定位結(jié)果以及基線解算等四個(gè)方面對(duì)基準(zhǔn)站測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)武漢城市圈CORS系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)踐，表明了該方法的客觀性和科學(xué)性，對(duì)保障跨區(qū)域CORS系統(tǒng)的連續(xù)正常運(yùn)行具有積極意義。

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Research on Processing and Analysis of Reference Stations Testting Data During Cross－regional CORS Setting up

Li JiangWei，Wan Pei，Li Tian
(Wuhan Geotechnical Engineering And Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

This paper discusses the processing of reference stations testing data during setting up CORS，.and indicates from four ways to analyse and appraise the data quality of reference stations，which are data integrality，the analysis of multipath，the results of single point positioning and baselines computing.Results of Wuhan metropolis continuously operating reference station show that the methods can factually reflect the observing circumstance and the outside influence.of reference stations.

Data Integrality；Multipath；SNR；Single Point Positioning；Repeatability of Baseline

1672－8262(2010)03－59－06

P228.43

A

2010—12—04

李江衛(wèi)(1976—)，男，博士，主要從事GPS數(shù)據(jù)處理及CORS系統(tǒng)應(yīng)用研究。

精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(PF2009－9)資助，武漢市科技推廣計(jì)劃(No.200930939389)。