廖留峰，劉 博，王曉英

(1. 貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002;2. 寧夏自治州固原市氣象局，寧夏 固原 756000;3. 南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210000)

1 引言

近年來隨著GPS 氣象學(xué)的廣泛應(yīng)用，GPS 觀測網(wǎng)逐漸完善，因此對GPS 觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，是GPS 數(shù)據(jù)處理過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)。目前，GPS 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析主要采用由UNAVCO 組織開發(fā)的應(yīng)用軟件—TEQC，TEQC 軟件主要包含3個模塊，分別為GPS 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊，RINEX 數(shù)據(jù)編輯模塊，數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核模塊，這3個模塊相互獨(dú)立，互不影響［1，2］。質(zhì)量檢查模塊是TEQC 的核心，主要是利用偽距觀測值和載波相位觀測值的線性組合對靜態(tài)或動態(tài)雙頻GPS 和GLONASS 數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，可用于檢查雙頻GPS 接收機(jī)的動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的質(zhì)量［3］，而觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量也能夠從一定程度上反映GPS 天線或GPS 接收機(jī)的性能。

2 材料和方法

根據(jù)是否利用導(dǎo)航文件，TEQC 質(zhì)量檢查有2種模式:lite 模式和full 模式［2，4］。lite 模式為簡單模式，只需要GPS 觀測數(shù)據(jù)中的O 文件，其執(zhí)行命令為:teqc +qc source. ＊＊o，該模式生成7個結(jié)果文件:* . ＊＊S，* . iod，* . ion，* . mp1，* . mp2，* . sn1，* . sn2。full 模式需要GPS 觀測數(shù)據(jù)中的觀測O 文件和導(dǎo)航星歷N 文件，執(zhí)行命令為:teqc+qc source. ＊＊o，full 模式生成9個結(jié)果文件，除lite 模式生成的7個文件外，多生成* . azi 和* . ele文件。表1 為9個結(jié)果文件的描述說明［5］。

表1 TEQC 質(zhì)量檢查生成的結(jié)果文件描述

數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果文件是S 文件。S 文件包含有短報(bào)告和長報(bào)告兩個部分，短報(bào)告部分含有一個衛(wèi)星繪制圖和一個總結(jié)列表;長報(bào)告部分給出的是系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)的情況和具體的分析內(nèi)容。在S 文件中，可以查看數(shù)據(jù)的采集時(shí)間長度、數(shù)據(jù)采樣率、觀測期間多路徑影響(MP1、MP2)、數(shù)據(jù)利用率以及數(shù)據(jù)周跳等［6］。其中多路徑影響(MP1、MP2)即外界其他信號對接收機(jī)在接收L1 和L2 時(shí)的干擾強(qiáng)度，周跳為接收機(jī)在失去衛(wèi)星信號后導(dǎo)致整周計(jì)數(shù)的跳變或中斷［8］。觀測數(shù)據(jù)與周跳數(shù)的比值為o/slps，通常用CSR 來描述(CSR =1000/(o/slps)［5］。GPS 觀測站點(diǎn)的觀測環(huán)境、觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量反映在MP1、MP2 和CSR 值上。

3 結(jié)果與分析

威寧位于貴州省西北部，海拔高度為2 238 m，是貴州省內(nèi)目前唯一的一個GPS 觀測站，GPS 觀測數(shù)據(jù)的起始時(shí)間為2011年8月4日16 時(shí)，數(shù)據(jù)采樣率為1 s，該站點(diǎn)每小時(shí)產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)觀測文件(后綴為. YYO)。為了使得一個文件中具有較長的數(shù)據(jù)長度，首先將1 d 中24 h(00:00—23:59)的數(shù)據(jù)合并為日觀測數(shù)據(jù)，以便于對GPS 觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日的質(zhì)量檢查。

3.1 威寧站GPS 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果

3.1.1 GPS 數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表 基于TEQC 應(yīng)用軟件，對2011年8月5日—2012年10月14日間的GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量分析。提取每日(S 文件)中描述數(shù)據(jù)質(zhì)量的各個變量，如表2 所示的為2012年1月5—15日期間的各個變量的統(tǒng)計(jì)信息。表中，第6 列為基于數(shù)據(jù)量計(jì)算出的數(shù)據(jù)利用率，數(shù)據(jù)利用率的大小反應(yīng)了地面接收機(jī)采集數(shù)據(jù)的能力，其數(shù)值越大越好;第7 列和第8 列分別為在L1 和L2 頻率上的多路徑影響值，分別記為mp1 和mp2，mp1和mp2 的界限參考值為0.5［7］，其值越小說明接收機(jī)抵抗外界其余信號干擾的能力越強(qiáng);第9 列為CSR 值，反映了數(shù)據(jù)的周跳情況，從CSR 比值可以看出數(shù)據(jù)的連續(xù)性，參考值為5［5］，其值越小說明出現(xiàn)的跳變或中斷越少，數(shù)據(jù)連續(xù)性越好。

表2 威寧GPS 站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表(2012年1月5—15日)

從表2 中可以看出，2012年1月5—15日的觀測數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，其觀測時(shí)間均為24 h，觀測到的總衛(wèi)星數(shù)均為27 或28個，應(yīng)觀測的數(shù)據(jù)集遠(yuǎn)大于實(shí)際采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的利用率僅為43%左右，L1 頻率上的多路徑影響(mp1)和L2 頻率上的多路徑影響(mp2)分別為0.23 和0.26，觀測數(shù)據(jù)與周跳數(shù)的比值(o/slps)在0.003 附近波動。

為評價(jià)威寧站GPS 數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量，對表2 中描述數(shù)據(jù)質(zhì)量的各個變量進(jìn)行時(shí)間上的分析(2011年8月5日—2012年10月15日)。

圖1 GPS 地面接收站的采集數(shù)據(jù)分布圖

3.1.2 威寧GPS 數(shù)據(jù)采集量和利用率 圖1 為2011年8月5日—2012年10月15日期間在每個時(shí)間歷元上可采集數(shù)據(jù)量和實(shí)際采集到數(shù)據(jù)量的時(shí)間分布，可以看出，威寧GPS 觀測站的數(shù)據(jù)十分平穩(wěn)，應(yīng)采集的數(shù)據(jù)量和實(shí)際采集的數(shù)據(jù)量波動均較小，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好。只有在2011年9月17日和2012年3月25—31日期間，由于出現(xiàn)較多時(shí)次的缺測，觀測時(shí)間長度很小，數(shù)據(jù)采集量出現(xiàn)連續(xù)的低值。圖中實(shí)線為威寧GPS 站在每一個時(shí)間歷元中應(yīng)采集的數(shù)據(jù)量，基本上為67 800 左右，虛線為實(shí)際觀測到的數(shù)據(jù)量，基本上為28 800 左右。也即威寧GPS 地面接收機(jī)每日實(shí)際采集的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于應(yīng)該采集的數(shù)據(jù)量。

常用數(shù)據(jù)的利用率來表述采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，計(jì)算公式如公式1 所示。

根據(jù)公式計(jì)算得出，除去缺測時(shí)次較多的8 d，威寧站的數(shù)據(jù)利用率基本位于40%～45%之間，在所有觀測日中，83.5%的數(shù)據(jù)利用率為43%，數(shù)據(jù)利用率較低。

3.1.3 GPS 地面接收機(jī)的抗多路徑效應(yīng)能力分析

圖2 為GPS 地面接收機(jī)每個時(shí)刻的抗多路徑效應(yīng)(抗干擾)能力值:實(shí)線(mp1)為L1 頻率上的多路徑影響值，也就是外界其他信號對地面接收機(jī)接收L1 頻率時(shí)的干擾值，其值位于0.22～0.28 之間，其中絕大部分值為0.23，遠(yuǎn)小于0.5 的參考值，說明接收機(jī)在接收L1 頻率波段時(shí)抗外界其他信號干擾的能力較強(qiáng);mp2 的值在0.25～0.31 之間，大部分值為0.26，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5 的參考值，說明接收機(jī)在接收L2 頻率波段時(shí)對外界其他信號的抵抗能力也較強(qiáng);總體來說，威寧地面接收機(jī)的抗干擾能力較強(qiáng)，相關(guān)設(shè)備保持良好的狀態(tài)，同時(shí)周邊環(huán)境未發(fā)生較大變化。

圖2 威寧GPS 地面接收機(jī)抗多路徑效應(yīng)能力的時(shí)間分布

3.1.4 GPS 地面接收機(jī)的周跳修復(fù)能力 圖3 描述的是威寧GPS 地面接收機(jī)的周跳修復(fù)能力。當(dāng)接收機(jī)失去衛(wèi)星信號，導(dǎo)致整周計(jì)數(shù)的跳變或中斷后會進(jìn)行修復(fù)，計(jì)算得出CSR 的值越小，說明接收機(jī)的周跳修復(fù)能力越強(qiáng)，參考值一般采用5［5］。從圖3 中可以看出，CSR 值大部分都較小，93%的值＜0.1，其中只有12 d o/slps 的值＞1，表明這12 d 的接收衛(wèi)星信號時(shí)中斷的次數(shù)較多，數(shù)據(jù)觀測的連續(xù)性較差，但這個時(shí)間段占總天數(shù)的比例較小。

圖3 威寧GPS 地面接收機(jī)的周跳修復(fù)能力

所以從數(shù)值上來看，威寧站接收機(jī)的周跳修復(fù)能力很好，換言之，接收機(jī)在跟蹤到衛(wèi)星信號后，就能連續(xù)對其進(jìn)行跟蹤，中間出現(xiàn)跳變和中斷的現(xiàn)象就很少。但是由于威寧站的地面接收機(jī)對于每個衛(wèi)星的跟蹤時(shí)間都比較短，所以出現(xiàn)周跳現(xiàn)象較少，因此CSR 這組數(shù)據(jù)并不能完全的說明接收機(jī)的性能。

3.2 威寧站與其他IGS 站數(shù)據(jù)質(zhì)量對比

3.2.1 跟蹤衛(wèi)星個數(shù)對比 基于以上的分析可以看出，威寧站的抗多路徑效應(yīng)能力和周跳修復(fù)能力較好，但實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)量卻遠(yuǎn)低于應(yīng)采集數(shù)據(jù)量。因此提取威寧站跟蹤到的衛(wèi)星個數(shù)，與其他IGS 站跟蹤衛(wèi)星個數(shù)進(jìn)行了對比。

選取威寧站進(jìn)行基線解算時(shí)采用的6個IGS 觀測站，任意選取2011年10月20日和2012年7月18日作為研究個例，選取4個時(shí)次對威寧站和其他6個IGS 站在每一時(shí)間段上所觀測到的衛(wèi)星個數(shù)進(jìn)行了對比分析，如圖4 和圖5 所示。圖中，橫坐標(biāo)為時(shí)間(衛(wèi)星星歷的時(shí)間歷元)，縱坐標(biāo)為捕獲到的衛(wèi)星個數(shù)(GPS 衛(wèi)星)，在每一個時(shí)間歷元上均有一個捕獲衛(wèi)星個數(shù)值。圖中不同的填充圖案表示不同的站點(diǎn)，其中BJFS 為北京房山站、IISC 表示印度科學(xué)院站、KUNM 表示昆明站、LHAZ 表示拉薩站、PIMO 表示馬尼拉站、WEIN 表示威寧站、WUHN 表示武漢站。

圖4 2011年10月20日4個時(shí)次上各個GPS 站捕獲到的GPS 衛(wèi)星個數(shù)

在2011年10月20日，威寧GPS 地面接收機(jī)跟蹤到的衛(wèi)星個數(shù)在1～5個之間，以3個和4個居多;北京房山、拉薩、武漢站觀測到的衛(wèi)星個數(shù)基本上為7～9個，昆明站較少，平均跟蹤到的GPS 衛(wèi)星個數(shù)為6個。同時(shí)從72個時(shí)間紀(jì)元上捕獲的衛(wèi)星個數(shù)還可分析出，1 d 中威寧站的16個時(shí)間段上捕獲的衛(wèi)星個數(shù)少于3個，占了總數(shù)的22%，其余6個IGS 觀測站跟蹤到的GPS 衛(wèi)星小于3個的時(shí)間段為0。從圖4 中威寧站在每一個時(shí)間歷元上跟蹤到的衛(wèi)星個數(shù)可看出，任意時(shí)間上，威寧捕獲的衛(wèi)星個數(shù)均較小，在進(jìn)行BERNESE 解算時(shí)，通常將衛(wèi)星個數(shù)小于3個的觀測時(shí)段視為一個壞的數(shù)據(jù)，說明威寧站的GPS 數(shù)據(jù)存在較多的壞數(shù)據(jù)。

圖5 2012年7月18日4個時(shí)次上各個GPS 站的捕獲到的GPS 衛(wèi)星個數(shù)

2012年7月18 日威寧地面GPS 接收機(jī)跟蹤到的GPS 衛(wèi)星為2～6個，少于3個衛(wèi)星的觀測時(shí)間仍占總數(shù)的19.4%。其余IGS 站觀測到衛(wèi)星個數(shù)變化較小。圖5 為2012年7月18日4個時(shí)次上各個GPS 站捕獲到的GPS 衛(wèi)星個數(shù)，與圖4 的分布情況類似，威寧站捕獲的衛(wèi)星個數(shù)較其它站點(diǎn)少，表3為2011年10月20日和2012年7月18日這兩個時(shí)間段上所跟蹤到的衛(wèi)星的統(tǒng)計(jì)情況。

3.2.2 威寧站與昆明站的GPS 數(shù)據(jù)質(zhì)量對比 在選取的6個IGS 測站中，昆明站為離威寧站最近的一個GPS 觀測站，其海拔高度為1 890 m，與威寧站情況較為相近。因此基于TEQC 對2011年8月5日—10月31日間昆明站的GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測，可以得出其mp1 平均值為0.48，mp2 平均值為0.84，說明該臺站在接收L1 和L2 頻率波段時(shí)容易受到外界信號的干擾;但是昆明站平均跟蹤到的衛(wèi)星個數(shù)較威寧站多，數(shù)據(jù)利用率平均為75.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于威寧站的43%。

表3 兩個時(shí)間段跟蹤到的衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)值

4 結(jié)論

①威寧GPS 觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性較好;接收機(jī)在接收L1 和L2 頻率波段時(shí)，外界信號對它們的干擾較小;且接收機(jī)一旦跟蹤到衛(wèi)星后，出現(xiàn)跳變和中斷的現(xiàn)象較少。

②威寧GPS 地面接收機(jī)跟蹤每個衛(wèi)星的時(shí)間較短，從而每個時(shí)段上所跟蹤到的衛(wèi)星個數(shù)較少，實(shí)際采集的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)低于應(yīng)采集的數(shù)據(jù)量。

③威寧站每個時(shí)次跟蹤到的衛(wèi)星個數(shù)在4個左右，少于3個衛(wèi)星的時(shí)次較多，占總時(shí)次的20%左右，從而導(dǎo)致總體數(shù)據(jù)利用率偏低。這可能與GPS地面接收機(jī)所在的地理位置有關(guān)，也有可能是由接收機(jī)本身的性能所導(dǎo)致。

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