基于TEQC 的HBCORS GNSS 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法與影響因素分析

唐曉霏，張士柱，厲芳婷，趙 鵬，魏以寬

（1.湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074）

GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)由衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站通過(guò)連續(xù)觀測(cè)生成[1-2]，觀測(cè)過(guò)程中會(huì)受到誤差源干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量變差，直接影響成果解算精度，因此對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是實(shí)際生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)[3-4]。GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析受到相關(guān)學(xué)者的密切關(guān)注，李軍[5]等對(duì)東北亞地區(qū)52個(gè)GPS臺(tái)站4年的觀測(cè)資料進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，并統(tǒng)計(jì)分析了檢測(cè)結(jié)果；聶兆生[6]等對(duì)HBCORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)估；徐夢(mèng)林[7]等研究了樹(shù)木遮蔽對(duì)GNSS 基準(zhǔn)站觀測(cè)的影響；丁超[8]等分析了我國(guó)沿海GNSS業(yè)務(wù)化觀測(cè)系統(tǒng)東部海區(qū)91個(gè)GPS觀測(cè)站2009—2015年連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，探究了觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)與周跳比、信噪比的相關(guān)性，并分析了觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)解算結(jié)果精度的影響；劉志敏[9]等采用L1偽距、L2偽距多路徑效應(yīng)，L1載波、L2載波信噪比和周跳比5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)CORS站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量檢核。

多路徑誤差是高精度GNSS 測(cè)量中必須考慮的誤差源[10]。HBCORS已連續(xù)運(yùn)行10多年，基準(zhǔn)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量缺乏相應(yīng)評(píng)估，因此本文對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)評(píng)估，并進(jìn)一步分析了多路徑等相關(guān)指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本文收集了2022年3月91個(gè)HBCORS基準(zhǔn)站接收機(jī)的GNSS 連續(xù)觀測(cè)原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)起止時(shí)間為UTC 時(shí) 間2022-03-01 00:00 （ 年 積 日60） —2022-03-31 23:59（年積日90）；觀測(cè)時(shí)段為00:01—23:59，時(shí)段長(zhǎng)不少于23.5 h，觀測(cè)內(nèi)容為GNSS衛(wèi)星的偽距（C/A碼、P碼）和各頻率載波相位（L1、L2）。

利用GNSS 接收機(jī)提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，默認(rèn)生成RINEX版本為2.11 或2.10 的標(biāo)準(zhǔn)o 文件，基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)文件以年積日為單位，每天形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式觀測(cè)數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s。觀測(cè)數(shù)據(jù)文件命名方式為四字符站編號(hào)+年積日+時(shí)段號(hào).年度o，四字符站編號(hào)應(yīng)唯一，如XXXX0600.22o。

2 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法

GNSS 原始數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)普遍采用UNAVCO 開(kāi)發(fā)的TEQC軟件包。TEQC是一個(gè)操作簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大的GNSS 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，主要包含數(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)3個(gè)功能[11]。本文通過(guò)數(shù)據(jù)有效率（DAR）、L1 波段多路徑效應(yīng)（MP1）、L2 波段多路徑效應(yīng)（MP2）3 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)GNSS 基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量，其中DAR 可反映接收機(jī)接收信號(hào)的穩(wěn)定性，MP1、MP2可反映L1 和L2 載波上的偽距和相位綜合多路徑影響。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，各指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中，N1為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)有效數(shù)據(jù)的歷元數(shù)；N為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)總歷元數(shù)；P1、P2分別為L(zhǎng)1、L2碼偽距觀測(cè)量；φ1、φ2分別為L(zhǎng)1、L2 載波相位觀測(cè)量；α為頻率f1和f2之比的平方；TEQC結(jié)果文件給出的為MP1、MP2的均方差值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域

HBCORS已連續(xù)運(yùn)行10多年，基準(zhǔn)站原始數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)呈逐年遞增趨勢(shì)。為了解GNSS 基準(zhǔn)站觀測(cè)環(huán)境以及接收機(jī)等設(shè)備老化對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，本文對(duì)2022 年3 月91 個(gè)HBCORS 基準(zhǔn)站GNSS 連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，并分析評(píng)估多路徑等相關(guān)指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

3.2 質(zhì)量評(píng)估結(jié)果

利用TEQC 對(duì)2022 年3 月91 個(gè)HBCORS 基準(zhǔn)站每天的GPS 和GLONASS 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，計(jì)算得到每天的MP1、MP2和DAR 等結(jié)果。由于篇幅所限，表1 僅列出了部分基準(zhǔn)站31 d 數(shù)據(jù)DAR、MP1、MP2的平均值。2011年HBCORS參考站工程報(bào)告中選址環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，所有站點(diǎn)的DAR、MP1、MP2均100%滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)[6]利用TEQC統(tǒng)計(jì)了76 個(gè)HBCORS 臺(tái)站2011-07-01—2012-09-30 全部基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)（4 個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)因網(wǎng)絡(luò)通信等問(wèn)題未獲取全部數(shù)據(jù)），計(jì)算得到每天的MP1、MP2和DAR等結(jié)果，并生成各臺(tái)站每天的質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告。結(jié)果表明，HBCORS 的DAR 優(yōu)于85%的占97.3%，HB?CORS 的MP1、MP2值低于0.5 的分別占98.7%、99.74%。選取2017-08-31 和2018-01-20 的24 h 原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，結(jié)果表明，HBCORS的DAR優(yōu)于85%的占98.75%，HBCORS 的MP1、MP2值低于0.5的分別占78.75%、73.75%。

表1 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

3.3 分析討論

3.3.1 質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析

1）基準(zhǔn)站原始數(shù)據(jù)的DAR 總體穩(wěn)定，DAR 均值除8個(gè)站點(diǎn)在80%～85%外（占比8.79%），其余各站均在85%以上，且各站點(diǎn)DAR日均值變化不大，接收機(jī)信號(hào)較穩(wěn)定，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12-14]中的技術(shù)要求。

2）基準(zhǔn)站多路徑效應(yīng)較穩(wěn)定，MP1均值除35個(gè)站點(diǎn)大于0.5外（占比38.46%），其余各站均小于等于0.5；MP2均值除33 個(gè)站點(diǎn)大于0.5 外（占比36.26%），其余各站均小于等于0.5。

3）將2010 年建站選址的環(huán)境測(cè)試結(jié)果、參考文獻(xiàn)[6]的數(shù)據(jù)結(jié)論與2018年24 h原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量對(duì)比，再結(jié)合表1進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隨著觀測(cè)年限的增加，少部分站點(diǎn)DAR逐年降低，超過(guò)總站點(diǎn)數(shù)1/3的站點(diǎn)MP1、MP2均值呈逐年增加趨勢(shì)，說(shuō)明基準(zhǔn)站多路徑效應(yīng)影響明顯、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量逐漸變差。

3.3.2 影響因素分析與建議

GNSS 觀測(cè)要求視野開(kāi)闊、無(wú)明顯遮擋，但隨著時(shí)間變遷和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，GNSS 基準(zhǔn)站的觀測(cè)環(huán)境可能受到各種因素的干擾與影響，因此在進(jìn)行基準(zhǔn)站觀測(cè)環(huán)境評(píng)估時(shí)，DAR、MP1、MP2可較準(zhǔn)確地反映基準(zhǔn)站周邊環(huán)境的變化，站點(diǎn)維護(hù)人員除加強(qiáng)站點(diǎn)實(shí)地巡檢以外，還可考慮更換接收機(jī)、天線和電纜等設(shè)備來(lái)改善站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

為了解多路徑效應(yīng)逐年上升的原因，參考文獻(xiàn)[8]對(duì)比分析了兩個(gè)站點(diǎn)更換接收機(jī)前后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)；為進(jìn)一步分析HBCORS天線和電纜對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量可能存在的影響，2021年9月對(duì)JZ02更換了天線和電纜（更換前天線型號(hào)：TRM59800.00，更換后天線型號(hào)：TRM115000.00），分析更換前后各項(xiàng)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，更換前MP1、MP2分別維持在0.60 m、0.58 m；而更換后MP1、MP2分別維持在0.52 m、0.56 m，說(shuō)明更換新天線后多路徑效應(yīng)有所下降。

針對(duì)5 個(gè)DAR、MP1、MP2等指標(biāo)均不滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的站點(diǎn)，經(jīng)實(shí)地巡檢發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)周邊環(huán)境發(fā)生了重大變化，主要是房屋等建筑或高大樹(shù)木遮擋，結(jié)合基礎(chǔ)測(cè)繪“十四五”規(guī)劃要求，建議后期盡快對(duì)上述站點(diǎn)重新選址進(jìn)行遷建。針對(duì)21 個(gè)DAR、MP1、MP2等3項(xiàng)中有兩項(xiàng)指標(biāo)不滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的站點(diǎn)，經(jīng)實(shí)地巡檢發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)周邊環(huán)境發(fā)生了較大變化，主要是城市建設(shè)擴(kuò)張或高大樹(shù)木遮擋，建議有條件的站點(diǎn)結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站或地震臺(tái)站搬遷計(jì)劃將站點(diǎn)隨遷，或通過(guò)更換配置抑徑板的新型天線和接收機(jī)設(shè)備來(lái)改善數(shù)據(jù)質(zhì)量。針對(duì)19 個(gè)DAR、MP1、MP2等3項(xiàng)中有一項(xiàng)指標(biāo)不滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的站點(diǎn)，經(jīng)實(shí)地巡檢發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)周邊環(huán)境未發(fā)生明顯變化，建議可通過(guò)更換配置抑徑板的新型天線和接收機(jī)設(shè)備來(lái)改善數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用TEQC 軟件對(duì)2022 年3 月91 個(gè)HBCORS基準(zhǔn)站的GNSS 連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，并分析了DAR、多路徑效應(yīng)等對(duì)GNSS 數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，受觀測(cè)環(huán)境變化、設(shè)備性能老化等因素影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量整體呈下降趨勢(shì)，部分站點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求；根據(jù)本文分析結(jié)果，結(jié)合站點(diǎn)實(shí)際情況，通過(guò)基準(zhǔn)站遷建、更換接收機(jī)設(shè)備或天線等措施可改善站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量。由于時(shí)間關(guān)系，本文未對(duì)包含BDS 衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，后期可通過(guò)相關(guān)研究來(lái)進(jìn)一步的驗(yàn)證評(píng)估。研究結(jié)果對(duì)于后期GNSS 基準(zhǔn)站勘選、觀測(cè)環(huán)境評(píng)估和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)更新具有一定的參考價(jià)值。