楊 哲 戴吾蛟 余文坤 廖建平

(1)中南大學(xué)測繪與國土信息工程系,長沙 410083 2)湖南省精密工程測量與形變?yōu)暮ΡO(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410083)

不同觀測環(huán)境中基于 TEQC的 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析＊

楊 哲1)戴吾蛟1,2)余文坤1,2)廖建平1)

(1)中南大學(xué)測繪與國土信息工程系,長沙 410083 2)湖南省精密工程測量與形變?yōu)暮ΡO(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410083)

為進(jìn)一步了解多路徑效應(yīng)、衍射誤差、電磁波信號干擾對 GNSS信號的影響,利用 TEQC軟件對 7種典型觀測環(huán)境的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量分析,結(jié)果表明：1)樹林環(huán)境下能夠接收到 GNSS信號,但周跳、衍射誤差及多路徑效應(yīng)最嚴(yán)重,數(shù)據(jù)質(zhì)量差;2)無線通訊基站與雷達(dá)站附近的電磁波對 GNSS信號有一定的干擾,而高壓線形成的磁場對 GNSS信號干擾影響很小;3)現(xiàn)代測地型天線可有效抑制位于天線水平以下水面的反射信號,但對來自玻璃幕墻的反射信號無抗干擾能力。

觀測環(huán)境;數(shù)據(jù)質(zhì)量;GNSS;多路經(jīng)效應(yīng);TEQC軟件

1 引言

GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不僅影響其測量精度,而且還可能導(dǎo)致基線解算失敗。影響 GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素有很多,主要包括：電磁波信號干擾、電離層延遲、對流層延遲、多路經(jīng)效應(yīng)、信號衍射、接收機(jī)噪聲、天線電纜的信號衰減等,其中多路徑效應(yīng)、信號衍射、電磁波信號干擾與 GNSS天線周圍的環(huán)境有密切的聯(lián)系。在實(shí)際測量中,為避免環(huán)境因素的影響,常采用回避法。例如在利用 GNSS進(jìn)行控制測量時(shí),選點(diǎn)通常遵循以下原則：接收機(jī)天線與大功率的無線電發(fā)射臺和高壓輸電線的距離不得小于200m;觀測站附近不應(yīng)存在大面積水域或?qū)﹄姶挪ǚ瓷?或吸收)強(qiáng)烈的物體;觀測站周圍障礙物的高度角一般要小于 10°～15°[1]。然而,一方面在有些實(shí)際工作中,這些觀測環(huán)境無法避免,因此需要對這些環(huán)境的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià),以判定是否滿足各種不同實(shí)際工作的要求;另一方面隨著接收機(jī)與天線性能的提高,其對電磁波信號有一定的抗干擾能力,對多路徑效應(yīng)也有一定的抑制作用,通過對這些典型環(huán)境的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià),可以檢驗(yàn)現(xiàn)代接收機(jī)與天線在抗干擾和抑制多路徑效應(yīng)的能力,或可能修改一些常規(guī)測量選點(diǎn)的原則。為此,本文分別在雷達(dá)站、無線通訊基站、湖泊、高壓輸電線、樹林、空曠的樓頂和玻璃幕墻 7種環(huán)境下采集數(shù)據(jù),以 TEQC軟件為基礎(chǔ),并選取了一些指標(biāo),對這些不同觀測環(huán)境下的單站數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量分析與統(tǒng)計(jì),從而為實(shí)際測量工作提供參考。

2 觀測環(huán)境與數(shù)據(jù)采集

為分析不同環(huán)境下的 GNSS數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量,選擇了 7種不同環(huán)境下的觀測實(shí)驗(yàn),分別為雷達(dá)站、無線通訊基站、湖泊中央、高壓輸電線、樹林、空曠樓頂與玻璃幕墻旁邊。雷達(dá)站的觀測點(diǎn)位于岳麓山山上的雷達(dá)站附近約 50 m處 (圖 1(a)),該站點(diǎn)位于路邊;無線通訊基站的觀測點(diǎn)位于岳麓山山上的聯(lián)通信號發(fā)射基站附近約 20 m處(圖 1(b));周圍具有大面積水體的站點(diǎn)位于中南大學(xué)南校區(qū)后湖 (圖 1 (c)),該站點(diǎn)觀測環(huán)境十分開闊;高壓輸電線的站點(diǎn)位于中南大學(xué)新校區(qū)瀟湘路及后湖路的交界處的人行道旁的高壓線下(圖 1(d)),該站周圍空曠,道上過往的人和車也很少;樹林觀測點(diǎn)位于中南大學(xué)采礦樓樓前 (圖 1(e)),周圍有一些樹葉并不密集的樹木,遮擋較為明顯;空曠樓頂?shù)挠^測點(diǎn)位于中南大學(xué)校本部桃 C學(xué)生公寓樓頂 (圖 1(f)),地勢較高,周圍空曠,沒有任何遮擋;玻璃幕墻環(huán)境的觀測點(diǎn)位于中南大學(xué)新校區(qū) A座教學(xué)樓旁 (圖 1(g)),點(diǎn)位周圍樓房多為玻璃幕墻。為了今后能夠組成基線進(jìn)行分析,本次實(shí)驗(yàn)還選擇了一個(gè)位于中南大學(xué)文學(xué)樓樓頂上的站點(diǎn)作為基站 (圖 1(h)),該站地勢較高,視野開闊。

數(shù)據(jù)采集分 4組進(jìn)行,即：雷達(dá)站-無線通訊基站-基準(zhǔn)站、高壓輸電線-湖泊-基準(zhǔn)站、樹林-空曠樓頂-基準(zhǔn)站、玻璃幕墻-基準(zhǔn)站。每組觀測時(shí)間約為當(dāng)?shù)貢r(shí)間 9：00—17：00,共進(jìn)行了 4天的數(shù)據(jù)采集工作。基準(zhǔn)站采用南方靈銳 S82雙頻接收機(jī),其他觀測站采用兩臺 Thales雙頻接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)觀測。數(shù)據(jù)采樣間隔為 5 s,截止高度角設(shè)置為 0°。

3 基于 TEQC的單站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[2-4]

圖1 觀測環(huán)境Fig.1 Observation environments

圖 2～8是 7種環(huán)境下采集數(shù)據(jù)的L1多路徑效應(yīng)圖,表示各衛(wèi)星觀測時(shí)間內(nèi)發(fā)生多路徑大小的變化情況;圖中的顏色條分別代表不同的衛(wèi)星。表 1是根據(jù)不同指標(biāo)對 7種測站環(huán)境的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行的匯總統(tǒng)計(jì)。

圖2 樹林環(huán)境下的多路徑圖Fig.2 Multipath in the environment under Trees

圖4 通訊基站環(huán)境下的多路徑圖Fig.4 Multipath in the environment near communication base station

圖5 雷達(dá)站環(huán)境下的多路徑圖Fig.5 Multipath in the environment near radar station

在樹林觀測環(huán)境下的信號質(zhì)量很差,數(shù)據(jù)采集率較低,同時(shí)多路徑也比較嚴(yán)重,但整個(gè)時(shí)段觀測到的衛(wèi)星總數(shù)有 21顆(圖 2、表 1)。說明 GNSS信號能夠穿過樹葉到達(dá)天線,但由于樹葉遮擋,衛(wèi)星信號強(qiáng)度損失嚴(yán)重,接收機(jī)只能接收到極弱的信號,甚至信號失鎖,同時(shí)樹林環(huán)境容易產(chǎn)生信號衍射及反射,導(dǎo)致多路徑效應(yīng)嚴(yán)重。

圖 6 大面積水域環(huán)境下的多路徑圖Fig.6 Multipath in the environment near large area ofwaters

圖7 高壓線環(huán)境下的多路徑圖Fig.7 Multipath in the environment under high-voltage line

圖8 玻璃幕墻下的多路徑圖Fig.8 Multipath in the environment near glass curtain wall

樓頂觀測環(huán)境下的觀測數(shù)據(jù)的信噪比都比較高(圖 3、表 1),多路徑效應(yīng)誤差很小,很少有周跳,說明數(shù)據(jù)質(zhì)量很高。

從圖 4及表 1可以看出：該測站觀測數(shù)據(jù)周跳發(fā)生頻繁,數(shù)據(jù)采集率只有 69%。說明無線通訊發(fā)射塔附近的電磁波信號對 GNSS信號有一定的干擾,導(dǎo)致在觀測過程中發(fā)生了衛(wèi)星信號失鎖現(xiàn)象。但是由圖 1(b)測站環(huán)境可以看出,該測站不是很開闊,還受到了基站房屋和周圍一些樹木遮擋的影響。

在雷達(dá)環(huán)境下的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量比通訊基站環(huán)境的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量稍好,但同樣信噪比不高、周跳發(fā)生頻繁、數(shù)據(jù)采集率低,這說明雷達(dá)信號對 GNSS信號同樣存在干擾(圖 5、表 1)。

一般來說,水面的信號反射系數(shù)很高,發(fā)生多路徑效應(yīng)會(huì)比較嚴(yán)重。但從圖 6表 1可知在大面積水域環(huán)境的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量仍然很高,受多路徑效應(yīng)的影響很小。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)代測地型天線的底部都有防多路徑反射信號的抑制板,可以有效地抑制位于天線水平以下的水面反射信號;此外,該測站十分開闊,也沒有其他信號的干擾。所以我們認(rèn)為,利用現(xiàn)代 GNSS接收機(jī)和測地型天線在水域附近同樣可以進(jìn)行高精度測量。

圖 7及表 1表明高壓線環(huán)境下的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,說明高壓電產(chǎn)生的電磁波對 GNSS信號干擾較小。

從圖 8及表 1(衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為 15°)可以看出：玻璃幕墻環(huán)境下的平均多路徑效應(yīng)誤差并不大,但有部分觀測數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)誤差很大。結(jié)合觀測環(huán)境圖 1(g)分析可知,該測站附近只有一面玻璃幕墻,這樣只有部分方向的衛(wèi)星信號才會(huì)發(fā)生反射,而且反射信號很強(qiáng),可能導(dǎo)致周跳發(fā)生,所以該測站的周跳發(fā)生頻率很高。

表 1 不同觀測環(huán)境下數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)Tab.1 Indices of data quality in different environments

綜上 7種典型觀測環(huán)境的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析,總結(jié)如下：

1)不同觀測環(huán)境中數(shù)據(jù)質(zhì)量差異很大。這 7種環(huán)境中,樹林環(huán)境下多路徑誤差最大,其均方差達(dá)到了 0.83 m,而開闊的樓頂環(huán)境下的數(shù)據(jù)質(zhì)量最好,多路徑均方差只有 0.12 m。

2)GNSS信號能夠穿透較稀疏的樹葉,但信號強(qiáng)度減弱明顯,容易導(dǎo)致信號失鎖,產(chǎn)生周跳;樹林環(huán)境容易產(chǎn)生信號衍射及反射,導(dǎo)致多路徑效應(yīng)嚴(yán)重。

3)高壓輸電線產(chǎn)生的電磁場對 GNSS信號影響很小,而無線通訊基站和雷達(dá)站附近的強(qiáng)電磁波信號對 GNSS信號有一定的干擾。

4)現(xiàn)代測地型天線底部一般都有防多路徑的抑制板,可以有效地抑制天線水平以下的反射信號,因此大面積水域環(huán)境中的數(shù)據(jù)質(zhì)量仍然很高,可以進(jìn)行高精度測量。

5)玻璃幕墻可產(chǎn)生很強(qiáng)的反射信號,多路徑效應(yīng)嚴(yán)重且容易導(dǎo)致周跳發(fā)生。

4 結(jié)束語

利用 TEQC軟件對不同環(huán)境下的 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知：樹林環(huán)境下,接收機(jī)能夠接收到 GNSS的信號,但衍射誤差與多路徑效應(yīng)最嚴(yán)重,數(shù)據(jù)質(zhì)量不高;無線通訊基站與雷達(dá)站附近都有一定的電磁波信號干擾,而高壓線形成的磁場對 GNSS信號干擾影響很小;玻璃幕墻下 GNSS的反射信號很強(qiáng);現(xiàn)代測地型天線可有效抑制位于天線水平以下水面的反射信號。不同觀測環(huán)境對普通 GNSS測量的影響,以及在不同觀測條件下如何提高 GNSS測量精度將在另文中進(jìn)行闡述。

1 周忠謨,易杰軍,周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用 (修訂版)[M].北京：測繪出版社,1997.(Zhou Zhongmo,Yi Jiejun and ZhouQi.The theory and application of GPS satellite surveying[M].Beijing：SinoMaps Press,1997)

2 雛衛(wèi)民.GPS觀測數(shù)據(jù)誤差分析及質(zhì)量評價(jià)[D].同濟(jì)大學(xué),2007.(Chu Weimin.Error analysis and quality evalulation of GPS data[D].TongjiUniversity,2007)

3 胡金林,等.GNSS參考站環(huán)境測試分析關(guān)鍵技術(shù)研究[A].測繪科技信息交流論文集[C].2007.(Hu Jinlin,et al.Research on key technologies for environment test of GNSS reference station[A].Forum for technology information of surveying[C].2007)

4 古偉洪,田鵬波,王振輝.運(yùn)用 TEQC軟件對 GPS數(shù)據(jù)的預(yù)處理與質(zhì)量評定[J].地理空間信息,2008,6(6)：37-39.(GuWeihong,Tian Pengbo and Wang Zhenhui.Applications of TEQC to GPS data pre-processing and quality checking[J].Geospatial Infor mation,2008,6(6)：37-39)

QUAL ITY ANALYSIS OF GNSS DATA BASED ON TEQC IN D IFFERENT ENVIRONM ENTS

Yang Zhe1),DaiWujiao1,2),YuWenkun1,2)and Liao Jianping1)

(1)Departm ent of Surveying Engineeringamp;Geo-Infor m atics,Central South University,Changsha 410083 2)Key Lab.Of Precise Engineering Surveyingamp;Defor m ation D isasterM onitoring of Hunan Province, Changsha 410083)

Multipath,signal diffraction and electromagnetic signal interference are the main factors to decrease the quality of GNSS data.All of these factors are related to the environment of the station.To know more about the relationship between the environment and data,the GNSS data collected from 7 stations in different environments are analyzed by using TEQC software and baseline solutions.The results show the following problems.1)Cycle slip,signal diffraction and multipath effect are the most seriouswhen the GNSS antenna under trees.2)There is a certainextent of electromagnetic signal interference nearwireless communication base station and radar station,but less under high voltage trans mission line.3)Modern geodetic antenna is immune to the reflected signal when the antenna is above the water surface,but power-less to the reflected signal from the glass curtain wall.

observation environment;data quality;GNSS(Global Navigation Satellite System);multipath effect; TEQC(Translate,Edit,Quality Check)

1671-5942(2010)05-0135-05

2010-05-10

國家自然科學(xué)基金(40704002);湖南省科技重大專項(xiàng)(2008FJ1006);中南大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基金(LE10278)

楊哲,女,1988年生,碩士研究生,主要從事 GNSS應(yīng)用研究.E-mail：yangzhewinner@163.com

P207

A