ITRF南山GPS連續(xù)參考點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

張阿麗，熊福文，朱文耀

（1.中國(guó)科學(xué)院 新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊830011；2.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072；3.中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030）

ITRF南山GPS連續(xù)參考點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

張阿麗1，熊福文2，朱文耀3

（1.中國(guó)科學(xué)院 新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊830011；2.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072；3.中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030）

新疆天文臺(tái)南山GPS觀測(cè)站是國(guó)內(nèi)、國(guó)際建立和維持ITRF進(jìn)行全球動(dòng)力學(xué)研究的參考點(diǎn)之一，由于其測(cè)站的特殊地理位置，測(cè)站的GPS觀測(cè)受到國(guó)際及國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者的重視。為了確保測(cè)站GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。選取2012-11-15～12-15 GUAO站GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，重點(diǎn)分析了信噪比的強(qiáng)弱及多路徑效應(yīng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

GPS；參考點(diǎn)；信噪比；高度角；多路徑誤差

新疆天文臺(tái)南山GPS基準(zhǔn)站是全球和中國(guó)的地球參考架的一個(gè)重要參考點(diǎn)之一，是國(guó)際GPS服務(wù)IGS的重要基準(zhǔn)站。南山GUAO站位于南山草原牧場(chǎng)，經(jīng)過(guò)多年的觀測(cè)運(yùn)行，已經(jīng)取得了長(zhǎng)時(shí)間的站坐標(biāo)時(shí)間序列。為了確保南山GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的解算質(zhì)量以及連續(xù)參考系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對(duì)GPS接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的質(zhì)量分析，從而更清楚地了解觀測(cè)站點(diǎn)周邊的環(huán)境是否存在對(duì)參考站的干擾、有否存在引起多路徑效應(yīng)的反射物以及電離層對(duì)流層的影響情況。

1 GUAO站信號(hào)品質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析

GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)由ASHTECH 公司u-Z雙頻接收機(jī)進(jìn)行采集， 扼流圈接收天線，數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s。對(duì)南山觀測(cè)數(shù)據(jù)2012年近1個(gè)月時(shí)間（年積日DOY=320～350，對(duì)應(yīng)2012-11-15～2012-12-15）GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要分析每天周跳（Cycle Slips）、多路徑效應(yīng)（Multipath，MP1、MP2）、數(shù)據(jù)完整率（data completeness）、有效歷元（epochs with data）、導(dǎo)航數(shù)據(jù)完整性（navigation data）、格式完整性（format），統(tǒng)計(jì)、計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表中MP1，MP2為GUAO站一天24 h接收L1、L2載波信號(hào)多路徑誤差的平均值， 最大值為0.26; 數(shù)據(jù)完整性最小值為99%。根據(jù)IGS對(duì)每天GPS原始數(shù)據(jù)周跳、多路徑效應(yīng)、數(shù)據(jù)完整率、有效歷元、導(dǎo)航數(shù)據(jù)完整性、格式完整性限差的規(guī)定，在2012-11-15～2012-12-15間GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量良好、周圍多路徑干擾小、數(shù)據(jù)完整率好，這也說(shuō)明南山GPS觀測(cè)站擁有相對(duì)較好的觀測(cè)環(huán)境，完全滿足International GPS Service （IGS）的數(shù)據(jù)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)值: MP1＜ 0.3，MP2＜0.42， 數(shù)據(jù)完整性＞ 95%，均滿足IGS對(duì)GPS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求。

2 GUAO站信噪比分析

信噪比SNR是表征接收機(jī)天線所接收到信號(hào)大小的一個(gè)量值[1,2]。它主要受天線增益參數(shù)、多路徑效應(yīng)和接收機(jī)中隨機(jī)噪聲3方面影響。在高度角較高條件下，天線增益較大使得SNR得到有效提高。而在高度角較低條件下，一方面天線增益減小；另一方面由于多路徑效應(yīng)增強(qiáng)使得SNR下降較為嚴(yán)重。

針對(duì)南山GUAO站的觀測(cè)情況，對(duì)2012-11-15～2012-12-15間觀測(cè)數(shù)據(jù)L1、L2載波信噪比（SNR）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖1以350 d數(shù)據(jù)為例，繪制了L1、L2載波信噪比環(huán)視圖。

圖 1 GUAO站L1、L2載波信噪比環(huán)視圖（DOY=350）

圖1顯示了GUAO站觀測(cè)到的每顆衛(wèi)星的L1、L2載波信噪比環(huán)視圖，從圖中可以得知，GUAO站L1、L2載波在高度角15°以上保持較高的信噪比，表明噪音較低、信號(hào)較強(qiáng)。從圖中顯示的單顆衛(wèi)星的信噪比與高度同時(shí)可以看出，L1載波信噪比大于L2 載波信噪比，高度角越小， 信噪比越小， 誤差越大，完全滿足International GPS Service （IGS）的數(shù)據(jù)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)值: SN1＞6， SN2＞ 4。通過(guò)接收機(jī)采集數(shù)據(jù)分析，得出經(jīng)過(guò)功分器后接收機(jī)收到的衛(wèi)星信號(hào)的信噪比沒(méi)有下降，采用功分器將一個(gè)天線的信號(hào)分給多個(gè)接收機(jī)使用的模式是可行的。

表1 GUAO站GPS信號(hào)品質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

3 GUAO站多路徑分析

因存在多路徑影響， 接收機(jī)所接收的信號(hào)分兩類，即直接到達(dá)的信號(hào)和間接到達(dá)（物體反射和大氣折射）的信號(hào)。這些信號(hào)一起被接收機(jī)接收， 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)，使碼觀測(cè)值和載位觀測(cè)值產(chǎn)生誤差，從而使觀測(cè)值偏離真值，產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。這種由多路徑信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)被稱為多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)將嚴(yán)重?fù)p害GPS測(cè)量的精度，嚴(yán)重時(shí)還將引起信號(hào)的失鎖，是GPS測(cè)量中一種重要的誤差源[3]。多路徑誤差主要表現(xiàn)在：

1）多路徑誤差與衛(wèi)星相對(duì)于天線的空間關(guān)系以及天線周圍的地物環(huán)境有關(guān)。有關(guān)研究表明，多路徑誤差可分為兩部分[4]，即周期性部分，通過(guò)增加觀測(cè)時(shí)間可以消除；固定部分，即使多次重復(fù)觀測(cè)也消除不了的，因?yàn)槎嗦窂叫?yīng)在各站之間無(wú)相關(guān)性。

2）多路徑效應(yīng)的大小與衛(wèi)星高度角有關(guān)，衛(wèi)星高度角越低，影響就會(huì)越大[5]。

3）多路徑誤差的影響與反射源的反射系數(shù)有關(guān)。反射系數(shù)與反射源介質(zhì)材料特性有密切的關(guān)系。金屬材料反射物，它會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生全反射；對(duì)于非金屬材料反射物，多路徑誤差與其介電常數(shù)有關(guān)。介電常數(shù)越大反射越大，反之越小。

4）多路徑誤差的影響還與觀測(cè)站天線和反射源的距離有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，多路徑誤差將隨著觀測(cè)站天線和反射源距離的增大而減小。這是由于電磁波在大氣中傳播時(shí)會(huì)有衰減。當(dāng)天線和反射源的距離為10 m時(shí)，反射信號(hào)已衰減了10%;當(dāng)天線和反射源的距離超過(guò)50 m時(shí)，則無(wú)需考慮反射信號(hào)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的影響[6]。

為了進(jìn)一步分析GUAO站載波相位多路徑的特性， 同信噪比分析類似，我們分析處理了3 dGUAO站的觀測(cè)資料繪制了GUAO多路徑環(huán)視圖。 依次以2012-12-13（d348）、14（ d349）、15（d350）3 d的GPS 采樣間隔為30 s 的觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，繪制以測(cè)站為中心按高度角和方位角分布的多路徑效應(yīng)如圖2 所示。在多路徑環(huán)視圖中，圓圈代表高度角，越靠近中心，高度角越高；圖中向上方向?yàn)檎军c(diǎn)北方向，用來(lái)表示衛(wèi)星相對(duì)于站點(diǎn)的方位角。圖中截止高度角設(shè)為15°( 灰色區(qū)域) ，曲線為衛(wèi)星軌跡，紅色數(shù)字為衛(wèi)星編號(hào)，衛(wèi)星軌跡上的綠色不規(guī)則突起即為多路徑效應(yīng)。

圖2 GUAO站L1、L2載波多路徑環(huán)視圖

在GPS 觀測(cè)過(guò)程中，衛(wèi)星的位置不斷變化，其在測(cè)站極坐標(biāo)系下的高度角也在不斷變化，而不同高度角計(jì)算出的多路徑殘差值是不一樣的。從圖2可以看出，GUAO站觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)及單顆衛(wèi)星的多路徑及高度角信息，在高度角較低時(shí)，多路徑誤差明顯較大，同時(shí)多數(shù)粗差和周跳也發(fā)生在高度角較低的時(shí)候。GUAO站L1、L2載波在高度角15°以上多路徑影響很小。由圖2 可見(jiàn)，衛(wèi)星連續(xù)3 d 的多路徑效應(yīng)具有較強(qiáng)的相似性以及在相鄰觀測(cè)天多路徑效應(yīng)具有較高的符合性。這也說(shuō)明多路徑效應(yīng)存在的客觀性以及多路徑效應(yīng)具有可重復(fù)性特征[7]。

為了進(jìn)一步分析載波相位多路徑的特性，以及分析多路徑效應(yīng)和衛(wèi)星空間位置的關(guān)系，我們繪制了多路徑效應(yīng)殘差與衛(wèi)星高度角的關(guān)系見(jiàn)圖3、圖4。圖3顯示了1號(hào)衛(wèi)星的多路徑時(shí)間序列與衛(wèi)星高度角的關(guān)系，圖4顯示了在天線周圍環(huán)境固定不變的情況下，對(duì)于每一顆衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，測(cè)站的多路徑效應(yīng)只隨衛(wèi)星的空間位置變化而變化，即與衛(wèi)星高度角和方位角有關(guān)。高度角越高，多路徑效應(yīng)越小。從整體上看，GUAO站多路徑效應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，說(shuō)明周圍觀測(cè)環(huán)境比較理想。

圖3 GUAO站1號(hào)衛(wèi)星多路徑時(shí)間序列

圖4 GUAO站多路徑與高度角關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

1）好的站址可以有效減弱多路徑效應(yīng)的影響，保證GPS觀測(cè)質(zhì)量的精度。為了防止多路徑效應(yīng)的影響，選站時(shí)應(yīng)避免鄰近有高山、高層建筑物及大面積的平靜水面。而灌木叢、草地和其他地面植被能較好地吸收微波信號(hào)的能量，反射很弱，是較為理想的設(shè)站地址，如GUAO站。

2）GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)定結(jié)果顯示，GUAO站GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量良好、周圍多路徑干擾小、數(shù)據(jù)完整率好，信噪比高，均滿足IGS對(duì)GPS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求。

[1] 李國(guó)重，李軍正，李建文，等.基于衛(wèi)星服務(wù)中斷的GPS在中國(guó)服務(wù)區(qū)可用性分析[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，28(1):1-4

[2] 熊波，萬(wàn)衛(wèi)星.GPS衛(wèi)星信標(biāo)信噪比的統(tǒng)計(jì)分析[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(5)：326-330

[3] 李征航,黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005

[4] 譚觀龍.淺談GPS測(cè)量多路徑誤差[J].地理空間信息,2008,6(5):56-58

[5] 謝世杰,種紹龍,袁銘.論GPS測(cè)量中的多徑誤差[J].測(cè)繪通報(bào),2003(5):1-5

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P228.41

B

1672-4623（2015）03-0090-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.032

張阿麗，副研究員，主要研究方向?yàn)樘祗w測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)。

2014-05-16。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10978022）。