基于TEQC的三峽庫區(qū)GNSS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

楊婷婷 黃 童

(長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘測局, 湖北 宜昌 443003)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)控制網(wǎng)中觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞是進(jìn)行精確定位的關(guān)鍵,也是下一步進(jìn)行高精度水道地形測量前最重要的節(jié)點。而要得到高質(zhì)量的控制點坐標(biāo)成果,在對控制網(wǎng)基線解算前,必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估工作。尤其是三峽庫區(qū),寬谷與峽谷相間,植被覆蓋率較高,衛(wèi)星信號極易受山谷、植被遮擋而失鎖。而通過對數(shù)據(jù)質(zhì)量評估,可以快速評價分析數(shù)據(jù)質(zhì)量,及時發(fā)現(xiàn)多路徑、電離層延遲等帶來的影響,進(jìn)而分析站點位置選擇是否合理等,避免了由于觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差所帶來的后期內(nèi)外業(yè)重復(fù)的工作量。

TEQC(Translation Editing and Quality Checking)軟件可以通過對GNSS各種觀測值的組合計算多路徑效應(yīng)、電離層延遲變化率[1]及其他影響因素來對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核。國內(nèi)外針對TEQC軟件的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核功能做過相關(guān)探討,但目前沒有相關(guān)文獻(xiàn)針對三峽庫區(qū)這一特殊地理位置進(jìn)行研究與分析。本文結(jié)合TEQC軟件,主要做了3個方面的工作：(1)提出了5個數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo),通過5個指標(biāo),具體分析了三峽庫區(qū)某一時段的數(shù)據(jù)質(zhì)量;(2)采用TEQC+QCVIEW模式對質(zhì)量差的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并與原數(shù)據(jù)對比分析;(3)為確保預(yù)處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與可信度,制定一套數(shù)據(jù)后處理方案：分別對原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)采用后處理軟件進(jìn)行基線解算與網(wǎng)平差,分析處理前后數(shù)據(jù)在X，Y，Z3個方向上精度變化。

1 5個數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)

GNSS觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估指標(biāo)一般可分為3類：反映誤差影響情況的指標(biāo)、反映觀測數(shù)據(jù)完整性的指標(biāo)以及與衛(wèi)星的位置有關(guān)的指標(biāo)[2-3]。其中反映誤差影響情況的指標(biāo)主要有：接收機(jī)鐘差、信噪比(Singnal-to-Noise Ratio,SNR)、多路徑效應(yīng)、每周跳觀測值個數(shù)(o/slps)等。與衛(wèi)星位置有關(guān)的指標(biāo)主要包括：衛(wèi)星方位角、高度角、幾何分布狀況等。

本文針對目前GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量評估存在的問題,綜合考慮三峽庫區(qū)多山多峽谷的地理條件,同時參考大量相關(guān)文獻(xiàn),提出采用5個指標(biāo)對GNSS測站數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估：L1偽距多路徑效應(yīng)(Mp1)、L2偽距多路徑效應(yīng)(Mp2)[4]、L1載波信噪比(SN1)、L2載波信噪比(SN2)、o/slps(每周跳觀測數(shù)據(jù)個數(shù))。

1.1 多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)是衛(wèi)星、GNSS信號接收機(jī)以及接收機(jī)附近的障礙物三者之間所構(gòu)成的某種相對空間關(guān)系的環(huán)境下產(chǎn)生的合成信號相對于直達(dá)GNSS接收機(jī)的信號的一種延遲現(xiàn)象。多路徑效應(yīng)在影響數(shù)據(jù)質(zhì)量方面是最為復(fù)雜的。根據(jù)規(guī)范及一般經(jīng)驗原則：當(dāng)Mp1<0.50,Mp2<0.50時,認(rèn)為該測站的多路徑效應(yīng)所帶來的誤差不會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[3]。

1.2 信噪比分析

SNR即為信號與噪聲的比,其主要受天線增益參數(shù)、接收機(jī)中相關(guān)器的狀態(tài)和多路徑效應(yīng)3個方面的影響。所以,通過信噪比評價GNSS接收機(jī)的品質(zhì)以及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量質(zhì)好壞[5-6]。根據(jù)國際GNSS服務(wù)(International GNSS Service,IGS)的數(shù)據(jù)檢測經(jīng)驗值設(shè)定L1載波的信噪比>4,設(shè)定L2載波的信噪比>6。

1.3 周跳分析

周跳是由于周圍環(huán)境遮擋或者其他影響因素導(dǎo)致的GNSS衛(wèi)星信號失鎖、進(jìn)而載波相位中整周計數(shù)發(fā)生改變。周跳的探測與評定可通過電離層殘差法進(jìn)行分析,電離層延遲隨時間變化率的導(dǎo)數(shù)得出。TEQC可逐個歷元計算電離層變化率,并通過監(jiān)控該值的大小來發(fā)現(xiàn)周跳,當(dāng)變化率大于400 cm/min時,則判定該觀測歷元發(fā)生周跳。在結(jié)果文件中,以每周跳觀測值個數(shù)(o/slps)表示觀測值和周跳比,根據(jù)經(jīng)驗值一般設(shè)定其閾值為670,大于670表明數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,不會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響[7-9]。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估實例分析

以2016年三峽庫區(qū)控制測量中10月29日第1時段8個測站觀測數(shù)據(jù)為例,對8個測站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核,提取8個測站的5個質(zhì)量評估指標(biāo),如表1所示。

表1 三峽庫區(qū)8個測站質(zhì)量評估指標(biāo)

由表1得到,8個測站的Mp1最大值為0.37,最小為0.28,Mp2最大為0.52,最小為0.28,Mp1與Mp2最大值均出現(xiàn)在5382測站,Mp2超出了小于0.50的要求,具體分析該測站環(huán)境,在距該測站約48 m處有1棵20多米大樹,考慮該站可能由于樹木遮擋產(chǎn)生了較嚴(yán)重多路徑效應(yīng),對測站數(shù)據(jù)質(zhì)量影響較大,所以必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理或者考慮更改測站位置。其他7個測站多路徑分析結(jié)果均符合要求,說明7個測站的觀測環(huán)境較好。

分析8個測站的觀測值和周跳比o/slps,最大值為5763測站,說明該站周跳影響最小,最小的為5382測站,o/slps為1 402,但符合o/slps>670的要求,說明周跳不會對該測站的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。

具體分析信噪比,在衛(wèi)星高度角為15°～20°時,8個測站的信噪比SN1與SN2值較為均勻,SN1均在4～6之間,SN2均在6～9之間,均符合經(jīng)驗值SN1>4,SN2>6的要求。信噪比與衛(wèi)星高度角的大小密切相關(guān),對此，本文做了如下分析研究。

從8個測站的匯總文件提取信噪比SN1與SN2隨高度角的變化值,如圖1～2所示,從圖中可看出，當(dāng)衛(wèi)星高度角為5°～10°時,大部分測站的信噪比SN1與SN2為0,測站8186的信噪比SN1與SN2分別為2.50與4.50,說明在高度角為5°～10°時,三峽庫區(qū)大部分測站的衛(wèi)星信號受遮擋嚴(yán)重,而8186測站由于地勢較高，無障礙物遮擋,觀測環(huán)境較好。隨著衛(wèi)星高度角的增大,8個測站的信噪比也逐漸增大,當(dāng)衛(wèi)星高度角達(dá)到15°～20°后,信噪比趨于平緩,且8個測站的信噪比相差不大,SN1值均在7左右,SN2均在8～9左右。當(dāng)然,并不是高度角設(shè)置越高越好,要同時考慮到可觀測衛(wèi)星個數(shù),在三峽庫區(qū)GNSS觀測中,高度角設(shè)置為15°～20°為宜。

圖1 信噪比SN1隨高度角變化折線圖

圖2 信噪比SN2隨高度角變化折線圖

3 TEQC+QCVIEW模式數(shù)據(jù)處理分析

QCVIEW可對TEQC生成的文件進(jìn)行可視化分析,可以更加直觀反映多路徑及信噪比等隨時間的變化[10-11],同時結(jié)合TEQC對誤差較大的歷元或衛(wèi)星進(jìn)行剔除。針對5382測站,其多路徑誤差Mp2>0.5,現(xiàn)對其L2多路徑文件5382.Mp2分析處理。運行QCVIEW 5382.Mp2命令,針對每一顆衛(wèi)星的多路徑誤差進(jìn)行分析,如圖3(a)、3(c)所示,發(fā)現(xiàn)GNSS接收機(jī)從2 213歷元開始接收GPS 3號衛(wèi)星信號,在2 062歷元開始接收GPS 21號衛(wèi)星信號。兩顆衛(wèi)星信號同樣都是在開始與結(jié)束時多路徑嚴(yán)重,GPS 3號衛(wèi)星在2 213～2 219歷元、2 407～2 413歷元,21號衛(wèi)星在2 062～2 083歷元、2 262～2 272、2 314～2 320歷元多路徑誤差較大,運行TEQC刪除誤差較大的歷元數(shù)據(jù),經(jīng)處理后多路徑誤差如圖3(b)、3(d)所示,圖片表明通過數(shù)據(jù)預(yù)處理后,誤差較大的歷元已經(jīng)剔除。

(a)預(yù)處理前SV03衛(wèi)星

對處理后的觀測文件再次進(jìn)行質(zhì)量檢核,提取5個質(zhì)量評估指標(biāo),與數(shù)據(jù)處理前的5個質(zhì)量評估指標(biāo)對比,如表2所示,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,Mp1由0.37降低至0.33,Mp2由0.52降至0.42,其他3個數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)也得到提高,已滿足5個質(zhì)量評估指標(biāo)要求。

表2 處理前后5382測站5個質(zhì)量評價指標(biāo)對比

綜合分析,5382測站附近有樹木,多路徑效應(yīng)較其他測站略嚴(yán)重,但經(jīng)預(yù)處理后,5個數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)已滿足要求。其他7個測站數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,附近沒有大型的反射平面,無線電發(fā)射臺、高壓線等電磁干擾,說明該控制網(wǎng)站點選取合理,觀測環(huán)境較為理想,數(shù)據(jù)可被充分利用。

此外,如果測站數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后,質(zhì)量仍達(dá)不到要求,說明周圍環(huán)境對測站的影響較大,應(yīng)考慮更改測站位置。

4 數(shù)據(jù)后處理方案

為確保TEQC+QCVIEW模式對數(shù)據(jù)預(yù)處理的可信度,制定一套后處理方案。方案一：對原始觀測數(shù)據(jù)采用商用軟件進(jìn)行基線解算與網(wǎng)平差;方案二：對經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)采用同樣方法進(jìn)行基線解算與網(wǎng)平差,最后對X，Y，Z三個方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度統(tǒng)計,如圖4所示。由圖4可知,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，8個測站在X方向的點位精度得到了提高,尤其是1972測站,X方向點位精度由原來的0.68 cm提高至0.57 cm。同樣地,由圖4(b)～(c)可知,Y、Z兩個方向的精度也得到相應(yīng)的提高,說明采用TEQC+QCVIEW模式進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理是可行的。

(a)X方向

5 結(jié)束語

GNSS的不斷發(fā)展勢必要求數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高。針對三峽庫區(qū)特有的地形條件,利用TEQC軟件對三峽庫區(qū)GNSS平面控制網(wǎng)某一時段的8個測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢核,提出采用5個質(zhì)量評估指標(biāo)對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估分析,并對評估結(jié)果中質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)相應(yīng)的歷元采用TEQC+QCVIEW模式進(jìn)行預(yù)處理,最后通過后處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算、網(wǎng)平差,發(fā)現(xiàn)得到的數(shù)據(jù)的點位精度優(yōu)于未經(jīng)處理的結(jié)果,說明這種方法是可行的。通過該方法,既可以發(fā)現(xiàn)觀測質(zhì)量較差的數(shù)據(jù),及時查明周圍是否有較大的反射平面或強(qiáng)電磁干擾,避免了后期不必要的返工,也為下一步進(jìn)行基線解算、網(wǎng)平差提供了高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)。但針對三峽庫區(qū)的多路徑效應(yīng),一味地采用TEQC的切割功能將信號差的數(shù)據(jù)刪除會使得數(shù)據(jù)使用率降低,通過增加衛(wèi)星截止高度角的方法,會屏蔽掉低高度角的衛(wèi)星信號。所以,針對三峽庫區(qū)的特殊地理環(huán)境,如何通過更加有效的方式來減弱多路徑效應(yīng)將成為今后研究方向。