陳 浩

（上海市測繪院，上海 200063）

0 引言

隨著衛(wèi)星導航定位技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)運行參考站（continuously operating reference stations, CORS）是空間數(shù)據(jù)基礎設施最為重要的組成部分，可以獲取各類空間的位置、時間信息及其相關(guān)的動態(tài)變化[1-3]。

上海CORS 由2000 年的上海地區(qū)導航定位綜合應用網(wǎng)，經(jīng)過一系列升級改造后，在2013 年建立了能夠兼容北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）的基準網(wǎng)觀測系統(tǒng)，目前上海CORS 在全市范圍內(nèi)有10 個參考站，分布圖如圖1 所示，分別為：崇明東灘（CMDT）、崇明廟鎮(zhèn)（CMMZ）、測繪院（SHCH）、嘉定（SHJD）、青浦（SHQP）、莘莊（SHXZ）、金山（JSXZ）、寶山（SHBS）、三甲港（SJGN）和臨港新城（LGXC）。自上海CORS 建立以來，為各級測繪部門的日常生產(chǎn)和不同精度需求的建設單位提供了相應的技術(shù)服務，具有良好的社會和經(jīng)濟效益。

圖1 上海CORS 基站分布示意圖

本文通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、元數(shù)據(jù)編輯及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查（translation, editing and quality checking,TEQC）軟件數(shù)據(jù)處理并利用矩陣實驗室（matrix laboratory, MATLAB）的可視化，來分析10 個上海CORS 基準站中某個時段的觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，以此判斷基準站周圍環(huán)境是否發(fā)生改變，確定基準站點的可靠性、穩(wěn)定性和精度，并結(jié)合實際案例，針對發(fā)生位移的基準站點，通過其穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量來分析該站點是否可以進行原地重建工作，可為遇到同類問題的站點提供解決思路。

1 TEQC 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估方法

美國衛(wèi)星導航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學聯(lián)合體（University NAVSTAR Consortium, UVAVCO）開發(fā)的TEQC[4]軟件，可以廣泛地應用到全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）觀測數(shù)據(jù)的預處理，主要功能有：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（translation）、數(shù)據(jù)編輯（editing）、以及質(zhì)量檢核（quality checking）[5]，其中質(zhì)量檢查部分對觀測數(shù)據(jù)中的偽距和相位觀測量以線性組合的方式來分析載波L1、L2 的多路徑效應、信噪比、電離層延遲和周跳等9 個結(jié)果文件[6]，具體如表1 所示。表1 中：MP (multipath effec)為多路徑效應；SNR(signal noise ratio）為信噪比。

本文采用TEQC 軟件輸出的數(shù)據(jù)有效率、MP1、MP2、周跳比（cycle slip ratio, CSR）來對上海CORS站點某天的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析，其中數(shù)據(jù)有效率表示理論觀測值個數(shù)與實際觀測值個數(shù)的比值，MP1、MP2分別表示L1、L2 頻點上的多路徑效應對偽距和相位影響的綜合指標。MP1、MP2的其計算公式為：

表1 TEQC 質(zhì)量檢核生成的結(jié)果文件

式中：P1、P2分別為L1、L2 碼偽距觀測量；1φ 、φ2分別為L1、L2 載波相位觀測量；α 為頻率1f 和f2之比的平方。

GNSS 觀測站點的觀測環(huán)境、觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量反應在M1P 、MP2、CSR 值上。根據(jù)國際GNSS 服務組織（International GNSS Service, IGS）的數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)表明[7-9]，CSR 年平均值小于5，M1P平均值小于0.5 m，MP2平均值小于0.75 m，數(shù)據(jù)有效率應大于85%，以此為標準對上海CORS 數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評定。

本文選取了2020-02-02—02-11，累計10 d 的10 個上海CORS 站點的數(shù)據(jù)，并利用TEQC 對數(shù)據(jù)進行了處理，結(jié)果如表2 所示。

表2 上海CORS 站點10 d GNSS 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計

從表2 可以看出，上海CORS 的10 個基準站CSR 值均低于IGS 站的年平均值，站點數(shù)據(jù)有效率均高于90%，載波L1 和L2 的多路徑效應值均符合規(guī)范要求，說明上海CORS 基準站的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量較高，且明顯優(yōu)于IGS 基準站的數(shù)據(jù)指標要求，說明站點周圍的環(huán)境變化對天線接收衛(wèi)星信號無影響，不影響CORS 站點的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2 TEQC 結(jié)合MATLAB 的可視化表達在實際工程中的應用

自上海CORS 建成以來，都會固定時間間隔與IGS 站點聯(lián)測，以保證站點的高精度，從而實現(xiàn)上海市的現(xiàn)代測繪基準框架的維持。在2019 年4 月，發(fā)現(xiàn)測繪院站點坐標異常。上海CORS 對外服務采用的方法為所有基準站點參與組網(wǎng)解算，向用戶播發(fā)解算得到的差分改正值，為了確保上海CORS 系統(tǒng)的精確性和可靠性，將該站點剔除出網(wǎng)，使其不參與組網(wǎng)解算，只記錄觀測數(shù)據(jù)。為確保實時動態(tài)差分（real-time kinematic, RTK）服務，基準站網(wǎng)要求站站間距小于70 km。剔除測繪院站后，上海CORS 仍能夠滿足站站間距小于70 km 的要求，對外服務影響不大。同時通過數(shù)據(jù)中心，每天對該站點進行監(jiān)控，觀察是否有進一步增大位移的現(xiàn)象。其原因是由于該站點附近正在進行武寧路快速化改建工程，距離該站點東北方向約50 m處正在進行深基坑施工，導致測繪院站發(fā)生位移。

為了分析測繪院站點是否穩(wěn)定，分別選擇2019-03-01、2019-05-01、2019-08-01、2019-12-01、2020-02-01 以及2020-03-01 的觀測數(shù)據(jù)，進行計算得到相應的坐標值，如表3 所示。

表3 不同時期的測繪院站點坐標

并以最近一次與IGS 站點聯(lián)測解算的坐標值為基準點，繪制坐標變化圖如圖2 所示。

圖2 不同時期的測繪院站點坐標與基準坐標值差值

從表1 可以看出，測繪院站點坐標趨于穩(wěn)定，可以繼續(xù)使用，但是從長遠角度看，武寧路快速路通車以及地鐵通行后，震動會比較大，需待施工結(jié)束后進一步評估震動是否符合CH/T 2008-2005《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行參考站網(wǎng)建設規(guī)范》的規(guī)范要求。

本著慎重對待基準框架的原則，先期在測繪院內(nèi)勘選新的站點，基準站站址一般滿足附近200 m無劇烈振動，無無線電臺、無微波通訊等設備，視線高度角15°以上無阻擋物。同時，在站點布設前，須采用雙頻GNSS 接收機現(xiàn)場連續(xù)采集數(shù)據(jù)24 h，采用GNSS 數(shù)據(jù)預處理軟件TEQC 對采集的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢核，分析該站GNSS 數(shù)據(jù)的電離層延遲、多路徑影響等。綜合考慮網(wǎng)絡通訊、衛(wèi)星接收狀況以及電力設施等條件，測繪院C 樓、D 樓樓頂均滿足布設新基準站的條件，相應結(jié)果如表4 所示。

表4 測試點位數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計

由表4 可知，測繪院原站點數(shù)據(jù)有效率較高，從目前的數(shù)據(jù)質(zhì)量角度選擇，適合在原址進行修復重建，本文結(jié)合MATLAB 的可視化表達進一步探究該點位的數(shù)據(jù)質(zhì)量。圖3～圖6 給出了全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）以及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）的衛(wèi)星可見性、位置精度衰減因子（position dilution of precision, PDOP），水平精度衰減因子（horizontal dilution of precision, HDOP）以及垂直精度衰減因子（vertical dilution of precision, VDOP）。

圖3 GPS 以及BDS 衛(wèi)星可見數(shù)

圖4 GPS 以及BDS 的PDOP 值

圖5 GPS 以及BDS 衛(wèi)星HDOP 值

圖6 GPS 以及BDS 衛(wèi)星VDOP 值

從圖3 可以看出，任何時刻測試點位均能滿足接收到GPS、BDS 各4 顆衛(wèi)星的條件，最多時分別可接收到11、12 顆衛(wèi)星信號，說明測試點位數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

在GNSS 定位數(shù)據(jù)質(zhì)量分析中，可以用3 種精度衰減因子（dilution of precision, DOP）來衡量觀測衛(wèi)星的空間幾何分布對定位精度的影響[10-12]，圖4～圖6 分別表示3 維（3D）位置的幾何精度因子PDOP、2 維（2D）水平位置幾何精度因子HDOP以及垂直（高程）幾何精度因子VDOP。其中，幾何精度因子的值越小觀測值精度越高，根據(jù)計算結(jié)果進行后期處理可以看到，GPS、BDS 的DOP值均較小，反應出測繪院點位的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，在測試時間段內(nèi)，BDS 的PDOP 均值為2.8，大于GPS 的1.5，原因為BDS 主要以傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous orbits,IGSO）和地球靜止軌道衛(wèi)星 (geostationary Earth orbits,GEO)衛(wèi)星為主，在亞太地區(qū)衛(wèi)星數(shù)可見數(shù)較多；BDS 的HDOP 均值為1.7 左右，與GPS 的1.4 相當；BDS的VDOP 均值為2.8，高于GPS 的1.6。

圖7 和圖8 給出了GPS 以及BDS 的天空圖。

圖7 GPS 衛(wèi)星天空圖

圖8 BDS-2 衛(wèi)星天空圖

從圖8 可以看出， BDS 衛(wèi)星可見性較差，是因為測試用的接收機為 Trimble NetR9，只能接收北斗衛(wèi)星導航（區(qū)域）系統(tǒng)即北斗二號（BeiDou navigation satellite (regional) system, BDS-2）衛(wèi)星信號，而可以接收GPS 全星座的衛(wèi)星信號，從圖7 可以看出，該測試點位的衛(wèi)星接收狀態(tài)較好，滿足4 顆的最低要求，側(cè)面反映出數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

為了比較站點接收到的不同軌道高度的BDS、GPS 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量，分別繪制了MP、信噪比（signal noise ratio, SNR）之間的關(guān)系，如圖9～圖12 所示。對于BDS 分別選取了具有代表性的GEO C01 衛(wèi)星、IGSO C07 衛(wèi)星、中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）C16 衛(wèi)星，并與GPS G01 衛(wèi)星進行比較，可以看出多路徑MP 值與高度角負相關(guān)，即高度角越高，MP 值越??；BDS B1 頻率的MP 值均小于B2，GPS 衛(wèi)星L1頻率的MP 值大于L2； BDS、GPS 的SNR 值相近，均維持在較低水平體現(xiàn)出站點位置的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

圖9 C01 衛(wèi)星MP 值以及SNR 值隨高度角的變化圖

圖10 C07 衛(wèi)星MP 值以及SNR 值隨高度角的變化圖

圖11 C16 衛(wèi)星MP 值以及SNR 值隨高度角的變化圖

圖12 G01 衛(wèi)星MP 值以及SNR 值隨高度角的變化圖

3 結(jié)束語

利用TEQC 對GNSS 觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，可以得到詳細的分析統(tǒng)計指標值，包括MP1、MP2、CSR 等，這些指標可以定量分析觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。結(jié)合MATLAB 進行繪圖分析，更可以直觀地反映出數(shù)據(jù)質(zhì)量，對于基準站點周圍環(huán)境監(jiān)測具有重要意義，同時也能夠?qū)φ军c位移情況進行有效的分析和檢測，為同類問題提供1 個很好地處理方法。