令曉博，黃 騰，彭 博

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

降雨可能會(huì)對(duì)GPS信號(hào)的傳播、接收機(jī)性能、數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量以及處理結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于提高GPS數(shù)據(jù)采集和解算質(zhì)量，學(xué)者們做了大量研究[1-4]。針對(duì)野外可控環(huán)境影響的研究很多，如不同的高差、觀測(cè)環(huán)境以及高壓線對(duì)GPS的影響[5]，而關(guān)于不同降雨量對(duì)GPS測(cè)量影響分析的實(shí)驗(yàn)則較少。一般工程應(yīng)用中，通常在降雨時(shí)會(huì)停止GPS測(cè)量，除了考慮到接收機(jī)防水的問題外，更多考慮的是降雨可能會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集的結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。本文就不同降雨量對(duì)GPS測(cè)量的影響開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)天的降雨量，通過觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)分析、基線解算，對(duì)從數(shù)據(jù)采集到獲得基線成果各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，從而掌握降雨量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響特性，對(duì)降雨條件下的GPS測(cè)量有一定的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

本次實(shí)驗(yàn)以均勻選取的某地CORS站的6站數(shù)據(jù)為GPS測(cè)量數(shù)據(jù)，24 h連續(xù)觀測(cè)，采樣間隔為30 s，共產(chǎn)生15條基線，最短的為15 km，最長(zhǎng)的為43 km，平均為25 km。氣象數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)靥煳呐_(tái)發(fā)布的日降水量數(shù)據(jù)，以約10 mm的降水梯度選取了3個(gè)月中25 d數(shù)據(jù)，日降雨量區(qū)間為0～76 mm，具體如圖1所示。數(shù)據(jù)預(yù)分析采用TEQC軟件[6-7]，基線解算利用高精度基線解算軟件GAMIT。本次實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容包括：

1）觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)分析。利用TEQC軟件對(duì)靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要考察MP1、MP2和o/slps。MP1和MP2分別為L(zhǎng)1和L2波段多路徑效應(yīng)對(duì)偽距和相位測(cè)量的影響，o/slps為觀測(cè)數(shù)據(jù)與周跳比。o/slps越小說明出現(xiàn)周跳越嚴(yán)重，MP1、MP2越小說明抗多路徑效應(yīng)能力越強(qiáng)。

2）基線解算。分別對(duì)選取的25 d數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲得單天解，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差和基線結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析。由于基線本身長(zhǎng)度不長(zhǎng)且為全天觀測(cè)，各項(xiàng)精度指標(biāo)均較好，所差無幾，比較不明顯，因此在結(jié)果分析過程中未對(duì)基線解算各方向的精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖1 日期—降雨量統(tǒng)計(jì)示意圖

2 GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)

GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)可由多路徑效應(yīng)、載波相位信噪比、觀測(cè)值完好性、電離層延遲、接收機(jī)鐘跳和周跳等評(píng)定。本次實(shí)驗(yàn)主要研究降雨量對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理的影響，因此只對(duì)多路徑效應(yīng)、周跳以及單天解基線處理結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)考察。

2.1 多路徑效應(yīng)誤差[8]

TEQC軟件采用一定的時(shí)間窗口來計(jì)算MP1和MP2的均方根，輸出結(jié)果雖不是多路徑效應(yīng)的實(shí)際值，但能反映其變化情況。使用碼和相位的組合能有效估計(jì)多路徑的大小，其計(jì)算公式為：

各參數(shù)的含義見參考文獻(xiàn)[8]。以L1載波為例，當(dāng)無周跳時(shí)，M1和B1均為常數(shù)，因而 MP1的變化也就反映了M1的變化。

2.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)與周跳比（o/slps）[9]

在TEQC軟件中，o/slps越小說明出現(xiàn)周跳越嚴(yán)重。o/slps以另外一種形式來表示，即CSR=1 000/slps。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差（NRMS） [10]

NRMS表示單時(shí)段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度，是從歷元的模糊度解算中得到的殘差，是衡量GAMIT基線解算結(jié)果的一個(gè)重要指標(biāo)，其公式為：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，NRMS值一般小于0.3，其值越小，說明基線解算質(zhì)量越高；若太大，則說明周跳探測(cè)未完全修復(fù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)分析

由于不同測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)環(huán)境各異，因此對(duì)比各站之間預(yù)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)沒有意義。在利用TEQC軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)分析時(shí)，均勻選擇了區(qū)域內(nèi)3個(gè)測(cè)站的25 d數(shù)據(jù)，結(jié)合降雨量進(jìn)行了分析。25 d觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)和o/slps統(tǒng)計(jì)如圖2、3所示。

圖2 1# ～3# 點(diǎn)多路徑效應(yīng)統(tǒng)計(jì)

圖 3 1# ～3#點(diǎn) o/slps 統(tǒng)計(jì)

通過分別統(tǒng)計(jì)MP1和MP2與降雨量的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，多路徑效應(yīng)與降雨量的相關(guān)系數(shù)約為0.05，因此降雨量對(duì)野外觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)影響不大。由圖3可知，o/slps走勢(shì)與降雨量走勢(shì)十分相似，具有相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)約為-0.16。負(fù)相關(guān)表示降雨量越大，o/slps值越小，而o/slps值越小說明存在的周跳越嚴(yán)重。

3.2 基線解算和結(jié)果分析

利用GAMIT軟件在相同策略下對(duì)25 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并對(duì)25 d的NRMS值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。各月基線長(zhǎng)度偏離其平均值的程度見圖5～7。由于降雨量為區(qū)域內(nèi)總體降雨量，而非單測(cè)站降雨，在求取基線長(zhǎng)度偏離其平均值時(shí)，先對(duì)單月內(nèi)各天各條基線與其均值（∑各天基線值/天數(shù)）作差，再創(chuàng)新性地在基線間取均值（∑各天內(nèi)所有基線差值/基線條數(shù)）。這樣得到的均值可反映基線的總體情況，避免由于單站的降雨量與總體降雨量偏差過大造成的片面性結(jié)果。

圖4 單天解NRMS值統(tǒng)計(jì)

由圖4可知，其NRMS的走勢(shì)與降雨量的走勢(shì)完全一致，結(jié)合NRMS的含義，說明解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度與降雨量相關(guān)性很高，相關(guān)系數(shù)為0.61。為了減小測(cè)站本身移動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，圖5～7分別給出了樣本所選3個(gè)月內(nèi)數(shù)據(jù)的降雨量與基線偏離其平均值程度的曲線，并生成了趨勢(shì)線，便于發(fā)現(xiàn)和分析規(guī)律。3幅圖的走勢(shì)完全一致，即隨降雨量的增加，基線偏離其均值的程度增大，且符號(hào)為正。其偏離均值最大/最小值分別為5.92 mm/0.89 mm、5.45 mm/0.46 mm、5.17 mm/0.03 mm。

圖5 1月基線偏離均值量

圖6 3月基線偏離均值量

圖7 4月基線偏離均值量

4 結(jié) 語

在野外GPS測(cè)量中，降雨量會(huì)對(duì)GPS測(cè)量產(chǎn)生一定的影響，隨降雨量的增加其影響增大，所得到的基線長(zhǎng)度也有所增加。為避免這種影響，在高精度GPS測(cè)量或IGS站聯(lián)合解算時(shí)應(yīng)避免降雨影響或結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕涤赀x擇合適的IGS站。由于本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為24 h的觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，所以解算結(jié)果偏差較小，而對(duì)于精度要求較低的GPS測(cè)量作業(yè)，觀測(cè)時(shí)間較短，也應(yīng)考慮降雨的影響，或可通過適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間以降低降雨的影響幅度。另外，由于本次實(shí)驗(yàn)選擇的氣象數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)禺?dāng)天的總體降雨量，且測(cè)站為觀測(cè)條件良好的CORS站24 h觀測(cè)結(jié)果，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下多種因素共同的影響并不一定適用。

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