不同觀測環境中基于 TEQC的 GNSS數據質量分析＊

楊 哲 戴吾蛟 余文坤 廖建平

(1)中南大學測繪與國土信息工程系,長沙 410083 2)湖南省精密工程測量與形變災害監測重點實驗室,長沙 410083)

不同觀測環境中基于 TEQC的 GNSS數據質量分析＊

楊 哲1)戴吾蛟1,2)余文坤1,2)廖建平1)

(1)中南大學測繪與國土信息工程系,長沙 410083 2)湖南省精密工程測量與形變災害監測重點實驗室,長沙 410083)

為進一步了解多路徑效應、衍射誤差、電磁波信號干擾對 GNSS信號的影響,利用 TEQC軟件對 7種典型觀測環境的實測數據進行了質量分析,結果表明：1)樹林環境下能夠接收到 GNSS信號,但周跳、衍射誤差及多路徑效應最嚴重,數據質量差;2)無線通訊基站與雷達站附近的電磁波對 GNSS信號有一定的干擾,而高壓線形成的磁場對 GNSS信號干擾影響很小;3)現代測地型天線可有效抑制位于天線水平以下水面的反射信號,但對來自玻璃幕墻的反射信號無抗干擾能力。

觀測環境;數據質量;GNSS;多路經效應;TEQC軟件

1 引言

GNSS觀測數據質量不僅影響其測量精度,而且還可能導致基線解算失敗。影響 GNSS觀測數據質量的因素有很多,主要包括：電磁波信號干擾、電離層延遲、對流層延遲、多路經效應、信號衍射、接收機噪聲、天線電纜的信號衰減等,其中多路徑效應、信號衍射、電磁波信號干擾與 GNSS天線周圍的環境有密切的聯系。在實際測量中,為避免環境因素的影響,常采用回避法。例如在利用 GNSS進行控制測量時,選點通常遵循以下原則：接收機天線與大功率的無線電發射臺和高壓輸電線的距離不得小于200m;觀測站附近不應存在大面積水域或對電磁波反射(或吸收)強烈的物體;觀測站周圍障礙物的高度角一般要小于 10°～15°[1]。然而,一方面在有些實際工作中,這些觀測環境無法避免,因此需要對這些環境的觀測數據進行評價,以判定是否滿足各種不同實際工作的要求;另一方面隨著接收機與天線性能的提高,其對電磁波信號有一定的抗干擾能力,對多路徑效應也有一定的抑制作用,通過對這些典型環境的觀測數據進行評價,可以檢驗現代接收機與天線在抗干擾和抑制多路徑效應的能力,或可能修改一些常規測量選點的原則。為此,本文分別在雷達站、無線通訊基站、湖泊、高壓輸電線、樹林、空曠的樓頂和玻璃幕墻 7種環境下采集數據,以 TEQC軟件為基礎,并選取了一些指標,對這些不同觀測環境下的單站數據進行了質量分析與統計,從而為實際測量工作提供參考。

2 觀測環境與數據采集

為分析不同環境下的 GNSS數據觀測質量,選擇了 7種不同環境下的觀測實驗,分別為雷達站、無線通訊基站、湖泊中央、高壓輸電線、樹林、空曠樓頂與玻璃幕墻旁邊。雷達站的觀測點位于岳麓山山上的雷達站附近約 50 m處 (圖 1(a)),該站點位于路邊;無線通訊基站的觀測點位于岳麓山山上的聯通信號發射基站附近約 20 m處(圖 1(b));周圍具有大面積水體的站點位于中南大學南校區后湖 (圖 1 (c)),該站點觀測環境十分開闊;高壓輸電線的站點位于中南大學新校區瀟湘路及后湖路的交界處的人行道旁的高壓線下(圖 1(d)),該站周圍空曠,道上過往的人和車也很少;樹林觀測點位于中南大學采礦樓樓前 (圖 1(e)),周圍有一些樹葉并不密集的樹木,遮擋較為明顯;空曠樓頂的觀測點位于中南大學校本部桃 C學生公寓樓頂 (圖 1(f)),地勢較高,周圍空曠,沒有任何遮擋;玻璃幕墻環境的觀測點位于中南大學新校區 A座教學樓旁 (圖 1(g)),點位周圍樓房多為玻璃幕墻。為了今后能夠組成基線進行分析,本次實驗還選擇了一個位于中南大學文學樓樓頂上的站點作為基站 (圖 1(h)),該站地勢較高,視野開闊。

數據采集分 4組進行,即：雷達站-無線通訊基站-基準站、高壓輸電線-湖泊-基準站、樹林-空曠樓頂-基準站、玻璃幕墻-基準站。每組觀測時間約為當地時間 9：00—17：00,共進行了 4天的數據采集工作。基準站采用南方靈銳 S82雙頻接收機,其他觀測站采用兩臺 Thales雙頻接收機進行靜態觀測。數據采樣間隔為 5 s,截止高度角設置為 0°。

3 基于 TEQC的單站數據質量分析[2-4]

圖1 觀測環境Fig.1 Observation environments

圖 2～8是 7種環境下采集數據的L1多路徑效應圖,表示各衛星觀測時間內發生多路徑大小的變化情況;圖中的顏色條分別代表不同的衛星。表 1是根據不同指標對 7種測站環境的數據質量進行的匯總統計。

圖2 樹林環境下的多路徑圖Fig.2 Multipath in the environment under Trees

圖4 通訊基站環境下的多路徑圖Fig.4 Multipath in the environment near communication base station

圖5 雷達站環境下的多路徑圖Fig.5 Multipath in the environment near radar station

在樹林觀測環境下的信號質量很差,數據采集率較低,同時多路徑也比較嚴重,但整個時段觀測到的衛星總數有 21顆(圖 2、表 1)。說明 GNSS信號能夠穿過樹葉到達天線,但由于樹葉遮擋,衛星信號強度損失嚴重,接收機只能接收到極弱的信號,甚至信號失鎖,同時樹林環境容易產生信號衍射及反射,導致多路徑效應嚴重。

圖 6 大面積水域環境下的多路徑圖Fig.6 Multipath in the environment near large area ofwaters

圖7 高壓線環境下的多路徑圖Fig.7 Multipath in the environment under high-voltage line

圖8 玻璃幕墻下的多路徑圖Fig.8 Multipath in the environment near glass curtain wall

樓頂觀測環境下的觀測數據的信噪比都比較高(圖 3、表 1),多路徑效應誤差很小,很少有周跳,說明數據質量很高。

從圖 4及表 1可以看出：該測站觀測數據周跳發生頻繁,數據采集率只有 69%。說明無線通訊發射塔附近的電磁波信號對 GNSS信號有一定的干擾,導致在觀測過程中發生了衛星信號失鎖現象。但是由圖 1(b)測站環境可以看出,該測站不是很開闊,還受到了基站房屋和周圍一些樹木遮擋的影響。

在雷達環境下的觀測數據質量比通訊基站環境的觀測數據質量稍好,但同樣信噪比不高、周跳發生頻繁、數據采集率低,這說明雷達信號對 GNSS信號同樣存在干擾(圖 5、表 1)。

一般來說,水面的信號反射系數很高,發生多路徑效應會比較嚴重。但從圖 6表 1可知在大面積水域環境的觀測數據質量仍然很高,受多路徑效應的影響很小。這主要是因為現代測地型天線的底部都有防多路徑反射信號的抑制板,可以有效地抑制位于天線水平以下的水面反射信號;此外,該測站十分開闊,也沒有其他信號的干擾。所以我們認為,利用現代 GNSS接收機和測地型天線在水域附近同樣可以進行高精度測量。

圖 7及表 1表明高壓線環境下的數據質量較好,說明高壓電產生的電磁波對 GNSS信號干擾較小。

從圖 8及表 1(衛星截止高度角設置為 15°)可以看出：玻璃幕墻環境下的平均多路徑效應誤差并不大,但有部分觀測數據的多路徑效應誤差很大。結合觀測環境圖 1(g)分析可知,該測站附近只有一面玻璃幕墻,這樣只有部分方向的衛星信號才會發生反射,而且反射信號很強,可能導致周跳發生,所以該測站的周跳發生頻率很高。

表 1 不同觀測環境下數據質量指標Tab.1 Indices of data quality in different environments

綜上 7種典型觀測環境的數據質量分析,總結如下：

1)不同觀測環境中數據質量差異很大。這 7種環境中,樹林環境下多路徑誤差最大,其均方差達到了 0.83 m,而開闊的樓頂環境下的數據質量最好,多路徑均方差只有 0.12 m。

2)GNSS信號能夠穿透較稀疏的樹葉,但信號強度減弱明顯,容易導致信號失鎖,產生周跳;樹林環境容易產生信號衍射及反射,導致多路徑效應嚴重。

3)高壓輸電線產生的電磁場對 GNSS信號影響很小,而無線通訊基站和雷達站附近的強電磁波信號對 GNSS信號有一定的干擾。

4)現代測地型天線底部一般都有防多路徑的抑制板,可以有效地抑制天線水平以下的反射信號,因此大面積水域環境中的數據質量仍然很高,可以進行高精度測量。

5)玻璃幕墻可產生很強的反射信號,多路徑效應嚴重且容易導致周跳發生。

4 結束語

利用 TEQC軟件對不同環境下的 GNSS數據質量進行統計分析可知：樹林環境下,接收機能夠接收到 GNSS的信號,但衍射誤差與多路徑效應最嚴重,數據質量不高;無線通訊基站與雷達站附近都有一定的電磁波信號干擾,而高壓線形成的磁場對 GNSS信號干擾影響很小;玻璃幕墻下 GNSS的反射信號很強;現代測地型天線可有效抑制位于天線水平以下水面的反射信號。不同觀測環境對普通 GNSS測量的影響,以及在不同觀測條件下如何提高 GNSS測量精度將在另文中進行闡述。

1 周忠謨,易杰軍,周琪.GPS衛星測量原理與應用 (修訂版)[M].北京：測繪出版社,1997.(Zhou Zhongmo,Yi Jiejun and ZhouQi.The theory and application of GPS satellite surveying[M].Beijing：SinoMaps Press,1997)

2 雛衛民.GPS觀測數據誤差分析及質量評價[D].同濟大學,2007.(Chu Weimin.Error analysis and quality evalulation of GPS data[D].TongjiUniversity,2007)

3 胡金林,等.GNSS參考站環境測試分析關鍵技術研究[A].測繪科技信息交流論文集[C].2007.(Hu Jinlin,et al.Research on key technologies for environment test of GNSS reference station[A].Forum for technology information of surveying[C].2007)

4 古偉洪,田鵬波,王振輝.運用 TEQC軟件對 GPS數據的預處理與質量評定[J].地理空間信息,2008,6(6)：37-39.(GuWeihong,Tian Pengbo and Wang Zhenhui.Applications of TEQC to GPS data pre-processing and quality checking[J].Geospatial Infor mation,2008,6(6)：37-39)

QUAL ITY ANALYSIS OF GNSS DATA BASED ON TEQC IN D IFFERENT ENVIRONM ENTS

Yang Zhe1),DaiWujiao1,2),YuWenkun1,2)and Liao Jianping1)

(1)Departm ent of Surveying Engineeringamp;Geo-Infor m atics,Central South University,Changsha 410083 2)Key Lab.Of Precise Engineering Surveyingamp;Defor m ation D isasterM onitoring of Hunan Province, Changsha 410083)

Multipath,signal diffraction and electromagnetic signal interference are the main factors to decrease the quality of GNSS data.All of these factors are related to the environment of the station.To know more about the relationship between the environment and data,the GNSS data collected from 7 stations in different environments are analyzed by using TEQC software and baseline solutions.The results show the following problems.1)Cycle slip,signal diffraction and multipath effect are the most seriouswhen the GNSS antenna under trees.2)There is a certainextent of electromagnetic signal interference nearwireless communication base station and radar station,but less under high voltage trans mission line.3)Modern geodetic antenna is immune to the reflected signal when the antenna is above the water surface,but power-less to the reflected signal from the glass curtain wall.

observation environment;data quality;GNSS(Global Navigation Satellite System);multipath effect; TEQC(Translate,Edit,Quality Check)

1671-5942(2010)05-0135-05

2010-05-10

國家自然科學基金(40704002);湖南省科技重大專項(2008FJ1006);中南大學創新實驗基金(LE10278)

楊哲,女,1988年生,碩士研究生,主要從事 GNSS應用研究.E-mail：yangzhewinner@163.com

P207

A