隋銘明

摘 要：隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展，全球以及各個國家和地區(qū)相繼建設(shè)了GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)，GNSS基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量對于系統(tǒng)應(yīng)用的精度和可靠性至關(guān)重要。本文重點(diǎn)對中國境內(nèi)多個IGS基準(zhǔn)站的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量分析，從數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、信噪比和周跳比等方面進(jìn)行了多維度評價。結(jié)果表明，中國境內(nèi)IGS基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量整體良好，少數(shù)站點(diǎn)存在信噪比、多路徑指標(biāo)較差的問題。

關(guān)鍵詞：IGS; GNSS基準(zhǔn)站; 衛(wèi)星信號; 質(zhì)量分析

中圖分類號：P223? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）7-179-002

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）近年來發(fā)展迅速，美國、俄羅斯、歐盟和中國先后完成了各自系統(tǒng)的部署[1]。與此同時，全球范圍內(nèi)已經(jīng)建立了許多不同區(qū)域、不同尺度和用途的GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)，如國際GNSS服務(wù)（International GNSS Service，IGS）維護(hù)的全球基準(zhǔn)站網(wǎng)、美國和中國等國家級基準(zhǔn)網(wǎng)以及江蘇省基準(zhǔn)站網(wǎng)等區(qū)域級基準(zhǔn)站網(wǎng)等。

隨著基準(zhǔn)站網(wǎng)用戶不斷增多，保障數(shù)據(jù)質(zhì)量的穩(wěn)定變得尤為重要。衛(wèi)星端、信號傳播過程以及接收端，都存在多種因素會對基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量造成影響，進(jìn)而直接影響到導(dǎo)航定位的精度和可靠性，因此有必要開展GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析評估。IGS基準(zhǔn)站網(wǎng)作為全球規(guī)模最大、分布最廣的基準(zhǔn)站網(wǎng)，為高精度全球參考框架的建立、精密地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的確定、GNSS軌道的確定以及區(qū)域地球動力學(xué)研究提供了有力支撐[2]。開展IGS基準(zhǔn)站特別是我國境內(nèi)的IGS基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析，對于開展GNSS科學(xué)研究以及國內(nèi)相關(guān)工程的應(yīng)用具有十分重要的意義。

1.IGS建設(shè)現(xiàn)狀

IGS是國際大地測量協(xié)會為支持大地測量和地球動力學(xué)研究，于1993年組建的一個國際協(xié)作組織，1994年1月1日正式開始工作，面向全球提供GNSS觀測數(shù)據(jù)、精密星歷、自轉(zhuǎn)參數(shù)、大氣延遲等產(chǎn)品服務(wù)，以滿足廣泛的科學(xué)研究及工程領(lǐng)域的需要。

IGS由全球分布的400多個永久連續(xù)運(yùn)行的GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)、4個數(shù)據(jù)中心和11個分析處理中心組成[3]?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)的跟蹤數(shù)據(jù)是IGS的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是相關(guān)產(chǎn)品加工處理的源數(shù)據(jù)。分析中心能夠直接和跟蹤站進(jìn)行通信，收集原始觀測數(shù)據(jù)，并對基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，數(shù)據(jù)中心對各分析中心的產(chǎn)品進(jìn)行綜合計算，得到最終的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

目前，在全球分布的IGS基準(zhǔn)站中，有10余個在中國境內(nèi)，分別位于武漢、北京、烏魯木齊、拉薩、長春、昆明、西安、上海、香港和臺灣等地。在建立我國國家坐標(biāo)框架和全球坐標(biāo)框架的聯(lián)系時，往往和這些基準(zhǔn)站進(jìn)行聯(lián)測，同時采用站點(diǎn)的坐標(biāo)作為約束進(jìn)行聯(lián)合平差?；鶞?zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接決定了應(yīng)用的效果，因而有必要從多個維度對基準(zhǔn)站的衛(wèi)星信號質(zhì)量進(jìn)行分析。

2.數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)

國內(nèi)外數(shù)據(jù)質(zhì)量分析采用的精度指標(biāo)各有差異，其計算和分析方法與標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，大多采用數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、信噪比和周跳比等分析指標(biāo)，它們可以全面反映GNSS觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.1數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率為觀測數(shù)據(jù)的實(shí)際歷元數(shù)與預(yù)期歷元數(shù)比值，反映了當(dāng)衛(wèi)星高度角大于截止高度角時數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)完整率越高，觀測質(zhì)量越高。數(shù)據(jù)完整率也能反映觀測環(huán)境的優(yōu)劣情況。接收機(jī)故障或環(huán)境干擾可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率過低。

2.2多路徑誤差

基準(zhǔn)站在接收來自衛(wèi)星直接信號的同時，也接收了測站周圍的反射物反射的衛(wèi)星信號，二者產(chǎn)生干涉時延效應(yīng)，從而產(chǎn)生觀測值與真值的誤差[4]。其不僅影響測量精度，嚴(yán)重時甚至?xí)鹦盘柺фi，是一項重要的誤差。多路徑誤差可以利用偽距和載波相位觀測值的組合進(jìn)行計算。

多路徑效應(yīng)的主要影響因素是測站周邊環(huán)境，對于多路徑效應(yīng)引起的測量誤差，主要通過從改善設(shè)備和觀測環(huán)境兩方面減弱，如選擇高性能接收機(jī)和扼流圈天線，選擇良好觀測條件等措施。

2.3信噪比

在衛(wèi)星信號的傳輸過程中，由于各種原因，衛(wèi)星接收機(jī)的輸入端的信號會混雜進(jìn)一些噪聲，信號的質(zhì)量一般情況下用信噪比來表示，其計算方法是載波信號和噪聲的平均功率的比值，因而也可以稱之為載噪比。

信噪比反映了信號的強(qiáng)度，對于接收機(jī)對衛(wèi)星信號的搜索能力、追蹤效率以及定位精度來說都是重要且不可或缺的參數(shù)，是用來評價載波相位觀測值的重要指標(biāo)。衛(wèi)星信號的信噪比通常情況下與衛(wèi)星發(fā)射天線增益、地面接收機(jī)天線增益、接收機(jī)和天線的放置角度、衛(wèi)地距離、電離層損耗、多路徑效應(yīng)都有一定的關(guān)系。通常，信噪比的值越大，表明信號的強(qiáng)度和質(zhì)量越好，從而觀測的質(zhì)量和精度越高。

2.4周跳比

周跳是指在載波相位測量中，由于衛(wèi)星信號的失鎖而導(dǎo)致的整周計數(shù)的跳變或中斷。造成周跳的原因是多樣的，其中主要有衛(wèi)星信號的遮擋，外界環(huán)境導(dǎo)致的信號失鎖，接收設(shè)備質(zhì)量問題等。周跳比越低，表明發(fā)生周跳的歷元占總的觀測歷元的比值越低，在總的觀測歷元相同的情況下，則發(fā)生周跳的歷元越少。

3.觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果

3.1數(shù)據(jù)來源

為了對中國境內(nèi)的IGS基準(zhǔn)站的信號情況進(jìn)行綜合評價，本文選擇了具有代表性的12個基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，12個站點(diǎn)分布在大陸、香港和臺灣等區(qū)域，具體站點(diǎn)列表見表1所示。具體質(zhì)量分析時，采用了2019年1月28日24小時的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行。

3.2質(zhì)量分析工具

數(shù)據(jù)質(zhì)量分析使用TEQC軟件進(jìn)行，其是國際上應(yīng)用最為廣泛的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件，由美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體研制[5]。軟件主要功能包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯和質(zhì)量檢核等，本文主要利用其質(zhì)量檢核功能。TEQC質(zhì)量檢核有兩種模式：lite模式和full模式，full模式的質(zhì)量檢測需要RINEX2.11格式的觀測值o文件和導(dǎo)航n文件，lite模式下的質(zhì)量檢測只需要o文件，只有在full模式下才能計算數(shù)據(jù)利用率和衛(wèi)星高度角。

3.3分析結(jié)果

對12個站點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量各指標(biāo)的分析結(jié)果如表1所示，MP1、MP2代表的是L1和L2頻率的多路徑誤差，SN1和SN2分別代表的信噪比，o/slps為周跳比。

對于數(shù)據(jù)完整率，所有站點(diǎn)均達(dá)到95%及以上，由此可見，中國境內(nèi)的這12個IGS基準(zhǔn)點(diǎn)的有效觀測值較多，觀測環(huán)境良好，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象少。

對于多路徑效應(yīng)，一般認(rèn)為MP1和MP2分別小于0.35和0.45時，由其產(chǎn)生的誤差幾乎不會對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，滿足該條件的站點(diǎn)有五個，分別是BJFS、TWTF、HKWS、HKSL、TCMS。而CHAN和SHAO兩個基準(zhǔn)站的多路徑影響較為嚴(yán)重。

對于信噪比而言，信噪比值越大，信號受外界噪聲影響越小，信號質(zhì)量越高，從圖2中發(fā)現(xiàn)12個站點(diǎn)中BJNM、CKSV、KNKM、TCMS四個基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)受外界噪聲影響較大。

對于周跳，TEQC采用的是觀測值與周跳比（o/slps）作為指標(biāo)，選取o/slps=200作為參考標(biāo)準(zhǔn)，o/slps越小說明周跳現(xiàn)象越嚴(yán)重。上述數(shù)據(jù)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)選取基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)接收較穩(wěn)定，受到衛(wèi)星失鎖、信號中斷等情況的影響較小。

4.結(jié)束語

本文用TEQC軟件對中國境內(nèi)的12個IGS基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量分析，結(jié)果可以看出，各基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，說明基準(zhǔn)站的運(yùn)行總體狀態(tài)良好，但也存在部分站點(diǎn)信噪比、多路徑指標(biāo)較差的問題，其具體原因需要進(jìn)一步探究。本文的研究對于分析評價中國境內(nèi)各IGS基準(zhǔn)站的信號質(zhì)量具有一定的參考價值，但受限于分析的數(shù)據(jù)量偏少，基準(zhǔn)站信號質(zhì)量的穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步分析。

參考文獻(xiàn)：

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[3]何一辛，李浩軍，周晉.不同IGS分析中心產(chǎn)品精密單點(diǎn)定位結(jié)果分析[J]導(dǎo)航定位學(xué)報，2020，8（1）：38-42

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[5]龔真春，趙龍海，林成壽等.TEQC結(jié)合RTKLIB軟件檢核GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量[J]全球定位系統(tǒng)，2018，43（05）：123-128