薛世強(qiáng)，楊志敏，胡文健，王昊

(1.南京工業(yè)大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211800； 2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的發(fā)展為區(qū)域GNSS網(wǎng)提供了充足可靠的數(shù)據(jù)源[1～3]，憑借其全天候、全自動(dòng)、實(shí)時(shí)連續(xù)觀測的特點(diǎn)[4]，逐漸應(yīng)用于各個(gè)省份、城市并作為省市測繪基準(zhǔn)點(diǎn)維持了當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)框架，提升了城市測量工作的效率[5，6]。

對北斗CORS站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測是穩(wěn)定性分析的前提，Anubis是由捷克共和國大地觀測臺PECNY開發(fā)的對所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所有頻點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測的開源軟件，支持所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。王利黨對Anubis進(jìn)行了深入的分析介紹，并基于shell腳本對多模GNSS的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了一鍵式操作，實(shí)現(xiàn)了對其進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測以及后續(xù)進(jìn)行的可視化分析[7]。劉智強(qiáng)等則通過實(shí)際應(yīng)用，證明了Anubis的優(yōu)點(diǎn)，包括非常簡單的操作性，以及具有豐富的內(nèi)容等[8]。

針對區(qū)域CORS系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，Dillinger W等率先對美國全范圍內(nèi)350個(gè)CORS參考站1994年～2002年的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，通過全局解分析了北美板塊內(nèi)部穩(wěn)定性[9]。Gülal等利用土耳其西南部20個(gè)CORS站788天的數(shù)據(jù)生成時(shí)間序列，量化表達(dá)了CORS站的運(yùn)動(dòng)變化[10]。國內(nèi)李江衛(wèi)等以武漢CORS系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)了一套CORS系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方案并進(jìn)行了驗(yàn)證[11]。在此基礎(chǔ)上，武曙光等針對深圳CORS站引入皮爾遜相關(guān)性系數(shù)分析IGS站與CORS站的位移相關(guān)性，進(jìn)而評估CORS站的穩(wěn)定性[12]。深圳全境地勢東南高，西北低，受板塊運(yùn)動(dòng)影響，CORS站會產(chǎn)生一定位移變化。為進(jìn)一步分析深圳北斗CORS站穩(wěn)定性，本文以SZBDCORS的11個(gè)基準(zhǔn)站為例，選取2017年3月～2020年8月的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測及基線解算處理，通過線性近似方法提取時(shí)間序列中的趨勢項(xiàng)和周期項(xiàng)。結(jié)果表明，SZBDCORS站點(diǎn)的水平方向和垂直方向分量重復(fù)性值都優(yōu)于 3 mm，可作為深圳市測繪基準(zhǔn)系統(tǒng)的主要基礎(chǔ)設(shè)施，為深圳市提供穩(wěn)定的測繪基準(zhǔn)服務(wù)。

2 北斗信號結(jié)構(gòu)

2.1 信號觀測值及其線性組合

GNSS觀測值模型分為偽距與載波兩類，由于偽距信號精度受限，難以滿足基站穩(wěn)定性分析要求，故采用載波相位觀測值，其觀測值方程如下所示。

(1)

式中，tr為衛(wèi)星信號的接收時(shí)刻，nij(tr)表示相位觀測值的模糊度參數(shù)，fsj為信號轉(zhuǎn)播過程中的平均頻率，pij(tr)為信號發(fā)射時(shí)刻衛(wèi)星天線相位中心到信號接收時(shí)刻接收機(jī)天線相位中心之間的幾何距離，△項(xiàng)分別表示對流層折射、電離層折射、接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、SA頻率抖動(dòng)影響，f0為相位觀測值的標(biāo)稱頻率，c表示光速，εij(tr)表示觀測噪聲。

通過將觀測量進(jìn)行線性組合，構(gòu)成僅含有波長和低噪聲等信息的新觀測方程，可簡化數(shù)據(jù)處理模型，提升數(shù)據(jù)利用率及精度[13]。組合方式有單差、雙差和三差共三種方式，其中雙差組合通過在衛(wèi)星與接收機(jī)之間兩次求差，可消除衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差，削弱衛(wèi)星軌道誤差和大氣延遲誤差，并保持了雙差整周模糊度的整數(shù)特性，故采用雙差組合來構(gòu)建觀測方程進(jìn)行基線解算[14]。

2.2 北斗數(shù)據(jù)誤差來源分析

GNSS定位誤差主要包含GNSS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號的傳播過程、和地面接收設(shè)備、地球潮汐、負(fù)荷潮及相對論效應(yīng)等，具體如表1所示。

GNSS測量誤差分類及對距離測量的影響 表1

除以上誤差外，還有非構(gòu)造因素會對定位精度產(chǎn)生較大影響。由于包含模型的改正殘差、周圍環(huán)境及地表引起的負(fù)載等，非構(gòu)造因素誤差至今都還未得到較為精確的改正。

3 CORS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

通過分析GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量可提升GNSS網(wǎng)平差精度，實(shí)驗(yàn)選用SZBDCORS站點(diǎn)共兩年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，剔除觀測時(shí)段不足0.75天(18h)的數(shù)據(jù)，利用ANUBIS進(jìn)一步剔除低質(zhì)量數(shù)據(jù)，流程如圖1所示。

圖1 ANUBIS數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)流程

3.1 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)

GNSS數(shù)據(jù)分析常用指標(biāo)有數(shù)據(jù)完整性、多路徑效應(yīng)(MP1、MP2)、信噪比、周跳比(o/slps)。MP1與MP2表示Ll或L2載波上的C/A碼或P碼多路徑觀測誤差；周跳比表示觀測值與周跳的比值；信噪比表示GPS接收機(jī)接收到的信號強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值；其中數(shù)據(jù)完整性大于80%，多路徑效應(yīng)MP1、MP2小于 0.5 m，周跳比小于5便認(rèn)為數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，可進(jìn)行后續(xù)處理。

使用2.3版本ANUBIS對2017年3月～2020年8月進(jìn)行質(zhì)量分析，以SZBDCORS站點(diǎn)中新建基巖站XICH為例，選取5天觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，如表2所示。

XICH測站數(shù)據(jù)質(zhì)量處理結(jié)果 表2

由上表可知，XICH站5天的數(shù)據(jù)完好性均值96.24%，多路徑影響指標(biāo)均小于 0.3 m，周跳比均值4.34，信噪比均大于 30 dBHz，均達(dá)到IGS站標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化分析

為進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)劣程度，借助ANUBIS可視化工具，從衛(wèi)星號、天體軌跡、衛(wèi)星仰角、信號通道等對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位的監(jiān)控，以XICH站年積日316日為例，繪制如圖2所示。

圖2 XICH站單系統(tǒng)方位偏差統(tǒng)計(jì)

由圖2可知，GPS和GALLIEO的點(diǎn)相對集中在零點(diǎn)附近，說明偏差較小。而GLONASS和BDS的點(diǎn)相對分散，尤其是GLONASS的點(diǎn)分布不均勻，表明偏差較大且與性能不穩(wěn)定有關(guān)。

圖3(a)是一個(gè)單系統(tǒng)信號多路徑統(tǒng)計(jì)圖，日本的QZSS系統(tǒng)RMS值最大，GALLIEO系統(tǒng)RMS最小，BDS與GPS的RMS相近，表明QZSS數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。圖3(b)為每顆衛(wèi)星的信噪比圖，除GPSS2W外其余信號均在 40 dBHz以上，說明XICH站接收的信號較強(qiáng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對穩(wěn)定。

圖3 XICH站單系統(tǒng)信號統(tǒng)計(jì)圖

4 區(qū)域CORS網(wǎng)解算模型

4.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

實(shí)驗(yàn)選取2017年3月至2020年8月深圳市地區(qū)11個(gè)可以同時(shí)接收BDS、GPS、GALILEO、GLONASS數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)站：BAOA站、BINH站、DONC站、KENZ站、SONG站、PINH站、SZDP站、SZJY站、SZLG站、SZNS站、SZSY站，站點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 SZBDCORS站分布

4.2 基線解算方案

實(shí)驗(yàn)采用GAMIT/GLOBK10.74軟件對SZBDCORS站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算。通過引入我國境內(nèi)的9個(gè)IGS站進(jìn)行聯(lián)合解算與ITRF2014參考框架建立聯(lián)系，具體解算策略如表3所示。

GAMIT數(shù)據(jù)基線解算策略 表3

4.3 區(qū)域網(wǎng)平差分析

進(jìn)行網(wǎng)平差之前對SZBDCORS站點(diǎn)進(jìn)行中長基線解算得到單天均方根誤差(Normalized Root-Mean-Square Value，NRMS)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示：

圖5 單天解NRMS值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖5可知，NRMS值隨著時(shí)間變化相對平穩(wěn)，在0.18～0.20之間輕微波動(dòng)，最小值為0.15，最大值為0.21，均值為0.18，數(shù)據(jù)質(zhì)量屬于優(yōu)秀水平[15，16]，可進(jìn)行后續(xù)的網(wǎng)平差處理。聯(lián)合我國境內(nèi)9個(gè)帶有速度場信息的IGS站進(jìn)行網(wǎng)平差，統(tǒng)一采用IGS處理結(jié)果作為框架基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)坐標(biāo)重復(fù)性如圖6～圖8所示。

圖6 SZBDCORS站E方向重復(fù)性分析

圖7 SZBDCORS站N方向重復(fù)性分析

圖8 SZBDCORS站U方向重復(fù)性分析

結(jié)果表明，SZBDCORS站點(diǎn)的水平方向和垂直方向分量重復(fù)性值都優(yōu)于 3 mm，在E、N、U方向上的重復(fù)性均值為 0.95 mm、0.79 mm、0.57 mm。

5 站點(diǎn)穩(wěn)定性分析

通過線性近似的方法提取GNSS時(shí)間序列的趨勢項(xiàng)和周期項(xiàng)，對比原始時(shí)間序列模型獲取SZBDCORS站在N、E、U方向上的偏差，以SZDP站、SZJY站及SZLG站為例繪制趨勢圖。

由圖9可知，SZDP站有穩(wěn)定的趨勢項(xiàng)，而SZJY與SZLG均在2018年12月發(fā)生較大偏移，其原因在于2018年12月受臺風(fēng)影響導(dǎo)致基站天線罩丟失，站點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)生突變，但整體趨勢仍較為穩(wěn)定。

圖9 U方向趨勢項(xiàng)擬合圖

6 結(jié) 語

本文以SZBDCORS為例，利用ANUBIS對2017年3月至2020年8月SZBDCORS數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，從數(shù)據(jù)完整性、多路徑效應(yīng)、信噪比、周跳比等分析，11個(gè)基準(zhǔn)站都具有良好的衛(wèi)星信號。通過GAMIT基線解算進(jìn)行網(wǎng)平差，各站點(diǎn)水平方向和垂直方向的重復(fù)性都優(yōu)于 3 mm，進(jìn)一步提取SZBDCORS站在N、E、U方向上的趨勢項(xiàng)、周期項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)SZJY和SZLG受臺風(fēng)影響導(dǎo)致基準(zhǔn)站天線罩丟失，其坐標(biāo)產(chǎn)生跳變后趨于穩(wěn)定，下一步將深入研究天線罩對基準(zhǔn)站定位影響。