全球范圍IGS監(jiān)測站GPS觀測數(shù)據(jù)質量分析

宗干,郭金運

(1.青島市光電工程技術研究院,山東 青島 266109;2.山東科技大學 測繪科學與工程學院,山東 青島 266590)

0 引 言

隨著基本衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及增強導航系統(tǒng)的持續(xù)建設發(fā)展,國際全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)服務組織(IGS)連續(xù)監(jiān)測站的數(shù)量及分布范圍也在不斷增長擴大．大量的地面連續(xù)觀測數(shù)據(jù)一方面可用于導航衛(wèi)星軌道、鐘差等的精確確定,為系統(tǒng)自身完善提供有效數(shù)據(jù)支撐;另一方面可為廣大系統(tǒng)用戶所用,服務于大陸板塊運動分析、大氣參數(shù)反演以及高精度定位、授時等諸多方面[1-5]．

IGS監(jiān)測站發(fā)揮作用的前提是具備良好的觀測數(shù)據(jù)質量,觀測數(shù)據(jù)的質量水平與解算結果密不可分,使用前應首先對所選站點原始數(shù)據(jù)的質量做出評估篩查．目前已有學者針對連續(xù)監(jiān)測站數(shù)據(jù)質量進行分析,但評估樣本多為某一局部地區(qū)內專用站點觀測數(shù)據(jù)[6-9],而面向IGS站點的數(shù)據(jù)質量分析[10-11]也多是針對特定區(qū)域,針對全球范圍IGS站點數(shù)據(jù)質量的公開評估結果較少．

為了解全球范圍內IGS站點觀測數(shù)據(jù)質量的基本情況,同時考慮到各GNSS目前全球覆蓋能力和發(fā)展成熟度,本文以全球定位系統(tǒng)(GPS)作為分析對象,針對其2017年的原始觀測數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)所受多徑影響、數(shù)據(jù)觀測完整程度以及數(shù)據(jù)中跳變比例三方面進行數(shù)據(jù)質量的評價統(tǒng)計,結果可為相關科研及工程應用中的站點選擇工作提供參考借鑒,提高站點選取時的目的性,降低該過程中隨機性和盲目性．

1 分析對象及質量評估方法

1.1 分析對象基本情況

參與質量分析的IGS監(jiān)測站2017年GPS觀測數(shù)據(jù)來自IGS全球數(shù)據(jù)中心CDDIS(CrustalDynamiticDataInformationSystem)的FTP站點(ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/)．

為保證所有參與質量分析的監(jiān)測站在數(shù)據(jù)量上保持相同且數(shù)據(jù)采集時間一致,篩選出全年觀測數(shù)據(jù)完整上傳的監(jiān)測站為分析對象,共189座,站點分布如圖1所示．

為便于統(tǒng)計,將參與分析的189個站點依其所在位置按大洲進行分組(位于遠海島嶼的站點根據(jù)該島嶼所屬國家歸入相應大洲,南極洲站點獨立劃分,不區(qū)分國家), 其中歐洲有64座, 整體分布密集;北美洲有59座,主要位于美國和加拿大兩國;亞洲有12座,大多位于東亞、中亞國家;大洋洲有36座,澳大利亞和新西蘭占大多數(shù);南美洲有10座,較均勻分布于整個大陸;非洲有2座,位置靠近南部沿海地區(qū);南極洲有6座,多數(shù)布設于大陸邊緣．具體數(shù)量情況如表1所示．

圖1 全球范圍被測站點分布

表1 各大洲被測站點數(shù)量統(tǒng)計

由表1可知,全年數(shù)據(jù)完整上傳的站點中歐洲占比略超3成,比重最大,其次為北美洲,占比為31.22%,此兩大洲站點總和所占比重已超過6成,其余約4成站點分布于其他五大洲,所占比重由大到小依次為大洋洲、亞洲、南美洲、南極洲和非洲．

1.2 分析指標與方法

為提高統(tǒng)計結果的通用性和可信度,各站點觀測數(shù)據(jù)質量評價基于TEQC軟件[12-13]給出的指標開展,包括反映觀測數(shù)據(jù)中多路徑影響水平的指標MP1、MP2[14-17],反映觀測數(shù)據(jù)接收完整情況的指標“實收-應收觀測比”[14-17]以及反映觀測的數(shù)據(jù)中跳變數(shù)量的指標“觀測-跳變比”(O/Slps)[14-17]．

各指標的合格閾值將優(yōu)先按照國家標準[18]進行設定,其中MP1、MP2值上限設為0.5m和0.65m;“實收-應收觀測比”的下限設為95%;而對于O/Slps,由于其閾值在國家標準[18]中并沒有明確給出,且在各文獻中的評價標準并不統(tǒng)一(主要有100和200兩種指標[6,15,19-20]),經(jīng)對被測站點全年O/Slps值的統(tǒng)計,得到該值主要分布區(qū)間為(0,30000),考慮該值越大越優(yōu)的特點,取該范圍內最小的5%,即O/Slps值小于1 500為未達標．具體情況如表2所示．

表2 質量評價指標及閾值

基于以上指標,數(shù)據(jù)質量分析工作分為兩步進行:第一步是通過與對應閾值進行對比,獲得各指標的日合格情況,然后基于此統(tǒng)計出各指標全年的合格天數(shù),進而計算出指標的年合格率(合格天數(shù)占總天數(shù)的比例)．基于各項指標的年合格率,得出關于各站點2017年數(shù)據(jù)質量水平的初步評估結果．

第二步,為進一步了解站點年數(shù)據(jù)質量情況,使用各指標的年合格率均值為判斷標準,構造評價函數(shù)為

I(i)=

(1)

2 質量分析及評價結果

接下來以大洲為單位對站點2017年GPS觀測數(shù)據(jù)質量進行分析．

2.1 歐洲

歐洲共有64座監(jiān)測站完整上傳了全年觀測數(shù)據(jù)．由圖1可知,歐洲站點在大陸本土分布較為密集,俄羅斯中東部地區(qū)分布較稀疏,同時由于英國、法國等國家海外領地的存在,太平洋、大西洋、印度洋等地區(qū)皆有監(jiān)測站布設．

以此為對象進行數(shù)據(jù)質量分析,統(tǒng)計TEQC軟件輸出的各站MP1、MP2、數(shù)據(jù)實收-應收觀測比以及O/Slps四項指標年合格率,統(tǒng)計結果如圖2、圖3所示．

圖2 歐洲數(shù)據(jù)完整上傳站點MP1、MP2值年合格率

圖3 歐洲數(shù)據(jù)完整上傳站點實收-應收觀測比、觀測跳變比年合格率

整體來看,參與統(tǒng)計的歐洲各站全年MP1和MP2值合格情況相似,多數(shù)站點合格天數(shù)超過全年的80%,少數(shù)站點MP值年合格率低于60%,如bilb、kely、kiro、lovj、mar6、onsa、spt0以及zimj站,說明站點數(shù)據(jù)受多徑影響較嚴重．

實收-應收觀測比方面,多數(shù)站年合格率超過80%,數(shù)據(jù)觀測完整程度較高,少部分站點該指標合格率低于60%,如bilb、bogi,mar6、mobj、mobk、opmt以及pets站．O/Slps值各站年合格情況差異較大,其中bilb、lovj、mar6、mars、metg、pets以及vill站年合格率接近0%,說明數(shù)據(jù)中含有較多跳變．

然后根據(jù)式(1)可得歐洲數(shù)據(jù)完整上傳的站點中有bilb、lovj、mar6以及pets站的GPS觀測數(shù)據(jù)平均質量未達標．該四站四項指標的時間序列如圖4所示．

圖4 歐洲年平均數(shù)據(jù)質量未達標站點指標時序

由圖4可以看出,pets站MP水平較其他站點理想但實收-應收觀測比值較低,bilb站O/Slps值整體低于其他三站,lovj、mar6兩站四項指標整體變化情況相似．綜合分析來看,雖然四站達標情況不理想,但全年數(shù)據(jù)變化離散程度較低,數(shù)據(jù)分布集中,說明測站內外部環(huán)境全年變化不大,觀測數(shù)據(jù)持續(xù)受到某種不利因素影響．

2.2 北美洲

北美洲各國共有59座監(jiān)測站全年完整上傳了觀測數(shù)據(jù)．由圖1可以看出北美洲監(jiān)測站主要位于美國及加拿大兩國,其中美國加利福尼亞州南部以及加拿大溫哥華島監(jiān)測站布設密集,少數(shù)站點分布于美洲中部地區(qū),同時在太平洋島嶼也有監(jiān)測站布設,如guam站(關島),kokr站(夏威夷群島)．

對各站全年的MP1、MP2、數(shù)據(jù)實收-應收觀測比以及O/Slps四項指標的年合格率進行統(tǒng)計,統(tǒng)計結果如圖5、圖6所示．

圖5 北美洲數(shù)據(jù)完整上傳站點MP1、MP2值年合格率

由圖5可以看出北美洲各站MP2值年合格率整體優(yōu)于MP1,僅有fair、gol2、nlib以及wlsn站MP2合格率低于60%,而MP1值有較多站點合格率較低,其中bamf、cags、chwk、fair以及gol2站等站點合格率接近0%,數(shù)據(jù)受多徑影響較嚴重．

圖6 北美洲數(shù)據(jù)完整上傳站點實收-應收觀測比、觀測跳變比年合格率

實收-應收觀測比方面,北美洲各站情況與歐洲類似,有較多站點年合格率超過80%,少部分站點該項指標明顯較低,如bamf、chwk、fair、guam、nlib以及sfdm站等．

北美洲各站的觀測跳變比合格情況同樣呈現(xiàn)站間情況差異明顯的現(xiàn)象．其中albh、alg2、brew、cit1等站年合格率接近100%,而amc2、bamf、bcov、chwk、fair、guam、lbch等站年合格水平不理想,反映出跳變出現(xiàn)較頻繁．

通過式(1)進行篩選,北美洲數(shù)據(jù)完整上傳的站點中,fair、nlib以及wlsn站全年平均質量未達標,該三站四項指標的時間序列如圖7所示．

圖7 北美洲年平均數(shù)據(jù)質量未達標站點指標時序

由圖7可知,三站點全年的MP及O/Slps值變化情況相近,但nlib站離散程度更大,另外該站實收-應收觀測比整體低于其他兩站．綜合分析來看,與歐洲情況類似,此三站數(shù)據(jù)整體分布集中,全年觀測同樣持續(xù)受到不利因素影響．

2.3 亞洲及大洋洲

亞洲及大洋洲各有12座和36座參考站完整上傳了觀測數(shù)據(jù)．由圖1可知亞洲站點分布較稀疏,主要位于中國、日本、菲律賓、吉爾吉斯斯坦等國;大洋洲站點數(shù)量較多且密集,主要屬于澳大利亞和新西蘭兩國,其余站點多位于其周邊海島．

兩大洲站點四項指標年合格率統(tǒng)計結果如圖8、9所示．

圖8 亞洲、大洋洲數(shù)據(jù)完整上傳站點MP1、MP2值年合格率

圖8中左起前12個站點是亞洲監(jiān)測站,其他為大洋洲站．MP值方面,以上站點MP2年合格率僅mizu、pimo兩站未達到80%,達標情況明顯優(yōu)于MP1．

圖9 亞洲、大洋洲數(shù)據(jù)完整上傳站點實收-應收觀測比、觀測跳變比年合格率

圖9中各站全年實收-應收觀測比情況與歐洲、北美洲相似,年合格率超過80%的監(jiān)測站占較大比例．合格水平較低的亞洲站點有pimo、sumk、usud以及yibl站,大洋洲站點有mqzg、nnor、solo以及sydn站．O/Slps方面,站點間年合格率差異較大,不足20%的監(jiān)測站有pimo、sumk、aukt、laut、nnor、park、pert、solo及sydn站．

按式(1)進行篩選后,兩大洲中僅有pimo站全年平均質量未達標,該站四項指標的時間序列如圖10所示．

圖10 亞洲、大洋洲年平均數(shù)據(jù)質量未達標站點指標時序

由圖10能夠看出pimo站兩項MP指標隨時間出現(xiàn)上升趨勢,而其他兩項指標呈下降狀態(tài),雖全年變化平穩(wěn),但整體處于較低水平,說明該站觀測數(shù)據(jù)持續(xù)受到不利因素影響,且影響結果逐漸累積．

2.4 南美洲、非洲及南極洲

南美洲、非洲及南極洲分別有10座、2座和6座監(jiān)測站上傳了觀測數(shù)據(jù)．南美洲國家站點基本均勻覆蓋整個大陸,而非洲只有位于南非的harb站和馬達加斯加的voim站全年完整地上傳了數(shù)據(jù),南極洲站點則集中于大陸沿海地區(qū),僅有amu2站建于大陸內部,接近南極點．

三大洲完整上傳數(shù)據(jù)的站點數(shù)據(jù)質量四項指標年合格率統(tǒng)計結果如圖11、12所示．

圖11 南美洲、非洲及南極洲數(shù)據(jù)完整上傳站點MP1、MP2值年合格率

圖中左起前10站屬于南美洲,右起6站屬于南極洲,其余兩站為非洲站．三大洲多數(shù)測站MP值年合格率超過80%,僅少數(shù)站點存在異常,說明觀測受多徑影響較大,如南美洲的bogt和falk站、南極洲的mcm4、palm及sctb站．

圖12 南美洲、非洲及南極洲數(shù)據(jù)完整上傳點實收-應收觀測比、觀測跳變比年合格率

三大洲多數(shù)站點數(shù)據(jù)實收-應收觀測比能夠保證年合格率超過80%,僅bogt站數(shù)據(jù)采集情況不穩(wěn)定,缺失嚴重．O/Slps方面,bogt、cord、falk、mcm4以及sctb站年合格率較低,不足60%,反映出觀測數(shù)據(jù)中含有較多跳變,數(shù)據(jù)質量稍差．

使用式(1)對三大洲數(shù)據(jù)完整上傳的站點進行評價,以上站點的平均合格率均超過閾值水平,能夠看出三大洲站點中雖有個別指標合格率較低,但全年中仍有較多的合格觀測可以使用,使用時可綜合對比,選用合格時段數(shù)據(jù)．

3 結束語

本文利用TEQC軟件給出的四項數(shù)據(jù)質量評價指標,結合新構造判斷標準對全球范圍內189座IGS監(jiān)測站2017年GPS原始觀測數(shù)據(jù)的質量進行了統(tǒng)計,得到了相關站點數(shù)據(jù)質量的評價結果．

通過被測站點四項指標年合格情況可知,整體上各站MP2與實收-應收觀測比的年合格率要優(yōu)于其他兩項,MP1與MP2雖為同類指標,但二者整體合格情況差異較明顯,分析認為除觀測數(shù)據(jù)本身的質量影響外,該情況也可能與兩項MP值的閾值設置[18]有關,其嚴格程度同樣會對統(tǒng)計結果產生影響．根據(jù)判斷標準式(1),參與統(tǒng)計的測站中多數(shù)達到合格標準,僅有少部分站點,如bilb、lovj、mar6、pets、fair、nlib、wlsn以及pimo站全年平均合格率低于所設閾值,綜合數(shù)據(jù)質量水平未達標準．

本文分析結果可作為對全球IGS站點GPS數(shù)據(jù)質量水平的初步認識,可作為地學研究及工程應用過程中站點選取的參考,能夠在一定程度上解決大范圍站點挑選時目的性缺乏的問題,提高站點數(shù)據(jù)取舍的指向性,同時,本文結果也可為各閾值的設定提供參考,輔助質量評價指標體系的不斷完善．