跨區(qū)域CORS系統(tǒng)基準站選址測試數(shù)據(jù)處理與分析研究

李江衛(wèi)，汪培，李甜

(武漢市勘測設計研究院，湖北武漢 430022)

跨區(qū)域CORS系統(tǒng)基準站選址測試數(shù)據(jù)處理與分析研究

李江衛(wèi)?，汪培，李甜

(武漢市勘測設計研究院，湖北武漢 430022)

討論了跨區(qū)域CORS系統(tǒng)建設過程中基準站站址測試數(shù)據(jù)處理的流程與方法，提出了從觀測數(shù)據(jù)完好性、數(shù)據(jù)質(zhì)量、單點定位結果以及基線解算等四個方面對CORS系統(tǒng)基準站選址進行分析與評價，并結合武漢城市圈CORS系統(tǒng)建設的實例進行分析。通過實測數(shù)據(jù)的處理，表明本文提出的CORS系統(tǒng)站址測試數(shù)據(jù)處理方法能夠較客觀地反映基準站的觀測環(huán)境和外界干擾情況，對保障CORS系統(tǒng)的連續(xù)正常運行具有積極意義。

數(shù)據(jù)完好性；多路徑效應；信噪比；單點定位；基線重復性

1 概 述

CORS系統(tǒng)的建立包括基準站站址選擇、觀測墩設計與建造、網(wǎng)絡布設等工作，在基準站點位觀測條件良好的情況下，無需對觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，CORS系統(tǒng)往往也運行得非常有效，即使是某一基準站的觀測質(zhì)量或者是某一時段數(shù)據(jù)質(zhì)量的不穩(wěn)定，系統(tǒng)核心軟件GPSNET可自動剔除和修復一些觀測數(shù)據(jù)中的粗差或周跳，因此對系統(tǒng)的正常運行沒有明顯的影響。

但跨區(qū)域CORS系統(tǒng)建設中，一般相鄰基準站基線較長，為了確保GPS解算質(zhì)量以及大區(qū)域CORS系統(tǒng)的運行，特別是在擬選基準站站址環(huán)境不是較理想，如可能存在的外界電磁干擾、點位視場受限等情況下，在建站之初，通過一定時間的連續(xù)觀測，并對觀測數(shù)據(jù)進行必要的質(zhì)量分析，從而更清楚地了解擬建站點周邊環(huán)境是否存在對基準站的干擾、是否有引起多路徑效應的反射物以及電離層對流層的影響情況，對確保系統(tǒng)建設質(zhì)量具有重要意義。

本文結合武漢城市圈CORS系統(tǒng)建設的實例，從觀測數(shù)據(jù)完好性、數(shù)據(jù)質(zhì)量、單點定位結果以及基線解算重復性等四個方面對CORS系統(tǒng)基準站選址數(shù)據(jù)處理與分析進行研究。

2 觀測數(shù)據(jù)完好性

對于CORS系統(tǒng)來說，基準站原始觀測數(shù)據(jù)直接影響網(wǎng)絡基線模糊度固定的時間和效率、空間相關誤差建模的精確性、系統(tǒng)可用性以及用戶初始化時間等。基準站原始觀測數(shù)據(jù)完好性包括三個方面:一是數(shù)據(jù)缺失，即某一歷元接收機所有類型的觀測值未完整記錄；二是歷元缺失，即某一歷元某可見衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)未記錄；三是衛(wèi)星星歷信息的完整性和可用性。基準站觀測數(shù)據(jù)完好性分析可從完好觀測值比例和無效觀測值兩方面進行分析。

(1)基準站完好觀測值比例。完好性觀測值比例＝完好觀測值總數(shù)/預計的觀測總數(shù)，該數(shù)值可反應基準站站址附近的遮擋、多路徑、無線電干擾等綜合影響，同時也可決定天線墩的架設高度。對于CORS系統(tǒng)而言，一般要求該數(shù)值不應低于90%。

(2)無效觀測值分析。無效觀測值包括以下四類:無L1、無L2，無P1、無P2，一般而言，如果發(fā)射衛(wèi)星信號遮擋，則會丟失全部信號，如果發(fā)生有L1但無L2或有P1但無P2的情況，則表明L2頻帶上存在較強干擾，不利于作為基準站連續(xù)觀測。無效數(shù)據(jù)與完好觀測值個數(shù)之比應小于5%。

武漢城市圈CORS系統(tǒng)鄂州、仙桃、潛江、天門四市基準站建設中，分別進行了連續(xù)24 h的數(shù)據(jù)測試，數(shù)據(jù)采樣率為1 s、截止高度角10°，表1為4個基準站測試觀測數(shù)據(jù)完好性統(tǒng)計表。

由表1數(shù)據(jù)表明:4個基準站站址測試數(shù)據(jù)良好，截止高度角10°以上完好觀測值比例均在95%以上，滿足CORS建設對數(shù)據(jù)完好性的要求。在建設實施過程中，觀測墩高度一般在2 m左右，可減少GPS觀測數(shù)據(jù)受站址視場、多路徑等的影響，從而進一步提高觀測數(shù)據(jù)的完好性和數(shù)據(jù)質(zhì)量。

基準站觀測數(shù)據(jù)完好性統(tǒng)計表 表1

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

CORS系統(tǒng)基準站站址附近若存在較強的外界電磁干擾，將會對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量造成較大影響，從而影響CORS系統(tǒng)的連續(xù)運行和精度定位，因此有必要對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行分析。

3.1 多路徑效應影響分析

在實際運行過程中，基準站接收機天線除接收直接來自衛(wèi)星的信號外，還接收到周圍物體反射回來的信號。直射信號和反射信號通過不同路徑到達同一固定的接收天線，雖在發(fā)射時刻上有共同的時間起點，但到達時刻不同，并兼而存在相對相位偏移，信號的幅度也發(fā)生了相對變化，這便造成了接收信號相對發(fā)射信號的結構畸變，從而影響碼和相位的量測，形成了多路徑效應。多路徑效應嚴重時將引起載波相位觀測值的頻繁周跳甚至信號失鎖，其對載波相位的最大影響可達其波長的1/4周，而對偽距的影響遠大于載波，其誤差可達幾米到幾十米，嚴重影響CORS系統(tǒng)的連續(xù)運行和實時定位精度。

其中多路徑效應可用式(1)和式(2)的組合量來檢核其影響:

式中，P1、P2為雙頻偽距觀測值；L1、L2為雙頻載波相位觀測值；M1、M2為雙頻偽距的多路徑效應；m1、m2為雙頻載波相位觀測值的多路徑效應；n1、n2為相位整周模糊度；f1、f2、λ1、λ2分別為載波頻率和波長。若無周跳發(fā)生，則B1、B2為常量，而m1、m2遠小于M1、M2，因此，MP1、MP2主要是偽距的多路徑效應的影響，可用來衡量多路徑效應的影響程度。

測試數(shù)據(jù)處理后的MP1和MP2值反映了在L1和L2頻率上的多路徑效應的影響，當MP1和MP2分別大于0.4 m和0.6 m時，則該地點不適宜作為基準站點。

3.2 信噪比強度分析

GPS信號功率比較客觀地反映了衛(wèi)星在軌狀態(tài)、測站環(huán)境等因素，是衡量觀測值質(zhì)量的指標之一。信噪比(SNR)指載波信號強度與噪聲強度的比值，單位為分貝－赫茲(dB－HZ)。目前絕大多數(shù)接收機采用信噪比(SNR)或載波與噪聲的功率密度比(c/n0，信噪比強度)來表征GPS信號功率，即在GPS接收機鎖相環(huán)1 Hz帶寬上，載波信號與觀測噪聲的功率之比。信噪比強度可用下式表示:

信噪比強度反應了接收到的衛(wèi)星信號與噪聲的相關關系，當噪聲較大、特別是存在可能的外界電磁干擾情況下將嚴重影響GPS信號質(zhì)量。對CORS系統(tǒng)來說，一般要求c/n0平均值應在15以下。

本文選取2010年4月10日的觀測數(shù)據(jù)進行了多路徑效應和信噪比強度分析。限于篇幅所限，僅僅列出潛江基準站的觀測數(shù)據(jù)分析結果。

CORS系統(tǒng)要求基準站接收到的衛(wèi)星數(shù)在6顆以上，圖1、圖2表明潛江基準站24 h內(nèi)任意時刻跟蹤并記錄的衛(wèi)星數(shù)至少為7顆；多路徑影響與周邊環(huán)境、天線架設高度等有關。潛江基準站24 h的MP1、MP2平均值分別為0.226 040 m和0.287 824 m，圖3也表明潛江基準站1 h內(nèi)的L1多路徑效應誤差平均值在0.4 m以下；圖4表明潛江基準站1 h的電離層延遲變化率平穩(wěn)，上下波動較小；圖5表明1 h內(nèi)潛江基準站L1、L2的信噪比強度均在15以下。

通過上述分析，表明潛江基準站數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，滿足CORS系統(tǒng)構網(wǎng)和連續(xù)運行的要求。

圖1 潛江站24 h衛(wèi)星天空視圖

圖2 潛江站24 h衛(wèi)星高度角變化圖

圖3 潛江站1 h L1多路徑效應圖

圖4 12號衛(wèi)星1 h電離層延遲變化

圖5 12號衛(wèi)星1 h L1、L2信噪比

4 單點定位分析

由于偽距受多路徑效應和電磁干擾的影響較載波相位大，因此偽距定位結果可以比較直接地反應接收到的GPS信號質(zhì)量情況。目前，在使用廣播星歷情況下，偽距單點定位的精度一般在10 m左右。為進一步分析基準站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，可對其偽距實時單點定位結果進行處理。即衛(wèi)星鐘差利用廣播星歷改正、對流層延遲和電離層延遲利用模型改正、接收機鐘差和測站坐標作為參數(shù)，利用最小二乘法進行單歷元偽距單點定位。采用的單點定位數(shù)學模型為式(4)。

dtR為接收機鐘差(為待估參數(shù))。

dtS為衛(wèi)星鐘差；

(Vion)i、(Vtrop)i分別為電離層延遲對流層延遲。

將觀測期間偽距單點定位解的平均值作為最或然值，據(jù)此可得到每一歷元偽距觀測值的殘差V，可按照式(2)計算殘差中誤差m。式(5)中:n為偽距觀測值的個數(shù)。

圖6為潛江基準站1 h測試數(shù)據(jù)所得到的偽距單點定位平均值與歷元解的差值的時間變化曲線。圖中X方向的坐標差值在－4 m～－7 m之間；Y方向的坐標差值基本在2 m～8 m；Z方向的坐標差值在1 m～6 m之間，其解算結果與廣播星歷的定位精度相當。

圖6 潛江基準站偽距單點定位坐標差

圖7 潛江基準站偽距單點定位的殘差中誤差

圖7為逐歷元偽距單點定位解與1 h偽距單點定位平均值的殘差中誤差變化曲線，其值介入3.5 m～5.5 m之間。圖8表明潛江基準站測試數(shù)據(jù)采用廣播星歷的偽距單點定位結果穩(wěn)定，只是在前200歷元變化相對較大，可能是由于本次測試所采用的5700接收機鐘差較大、鐘漂不穩(wěn)定所引起，另外也有可能是站址電磁干擾導致。但總體而言，測試數(shù)據(jù)偽距單點定位精度滿足要求。

5 基線解算

在CORS系統(tǒng)基準站站址測試數(shù)據(jù)處理中，需對基準站多時段的觀測數(shù)據(jù)進行基線解算，通過與已建基準站進行基線解算可進一步分析站址測試數(shù)據(jù)的載波相位信號質(zhì)量。基線解算可分別采用精密星歷和高精度處理軟件(如GAMIT)以及廣播星歷和商業(yè)軟件(如TGO)進行。

各時段基線向量的重復性反映了基線解的內(nèi)部精度，是衡量基線解質(zhì)量的一個重要指標。其定義為:

式中:Ci是各時段解基線的各分量，是相應分量的協(xié)方差，為相應基線分量的加權平均值，R為基線的重復性。

整網(wǎng)的重復精度可用固定誤差和比例誤差兩部分表示，即:

式中:σ為基線重復性精度指標；a為基線解的固定誤差；b為基線解的比例誤差；l為基線長度。整網(wǎng)的重復精度可由各基線的固定誤差與比例誤差線性擬合得到。

本文選取武漢城市圈CORS系統(tǒng)10個基準站2天的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣率為30 s。采用GAMIT10.32進行解算，分時段分別進行，得到基線單天解。為提高基線解算精度，在基線解算中對以下4個方面進行了重點考慮:①在基線處理時，加入WUHN、SHAO、BJFS共3個IGS站進行聯(lián)合解算；②對流層折射根據(jù)標準大氣參數(shù)用Saastamoinen模型改正:采用分段線形的方法估算折射量偏差參數(shù)，每2 h估計參數(shù)，考慮到大氣水平向的各向異性，每24 h估計一次東西、南北向的梯度；③電離層折射影響:采用LC _HELP觀測值消除；④設置初始坐標及約束。聯(lián)測的IGS站坐標采用SOPAC提供的ITRF2005框架、瞬時歷元坐標，并分別設置N、E、H方向0.05 m、0.05 m和 0.1 m的松弛約束，武漢城市圈CORS系統(tǒng)基準站點的初始坐標為RINEX坐標，N、E、H方向分別給以10.0 m、10.0 m和20.0 m的松弛約束。處理后，基線的整體重復性精度統(tǒng)計如表2所示。

基線向量重復性統(tǒng)計表 表2

從表2可以看出，基線分量重復性都很高。整體重復性在南北方向上為0.6 mm＋0.2×10－8l，在東西方向上為1.0 mm＋0.1×10－8l；垂直方向為6.2 mm＋0.1×10－8l；基線長度方向為1.0 mm＋0.1×10－8l，達到了《全球定位定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》關于B級GPS網(wǎng)的精度要求。

在CORS系統(tǒng)運行期間，一般采用廣播星歷進行數(shù)據(jù)處理。因此本文選取潛江基準站4 h的觀測數(shù)據(jù)，采用廣播星歷與武漢城市圈CORS系統(tǒng)蔡甸、黃陂、新洲、漢南、東湖、勘測、鄂州7個基準站選用TGO軟件進行了基線處理。基線解算采用Iono_Free組合觀測值，基線報告如表3所示。

基準站廣播星歷基線處理報告 表3

計算結果表明:潛江站址測試數(shù)據(jù)與武漢城市圈CORS系統(tǒng)期其他基準站的同步觀測數(shù)據(jù)，采用廣播星歷均可得到基線固定解，其中最長基線為191.0 km (潛江－鄂州)、最短基線為111.1 km(潛江－蔡甸)，所有基線解算的相關技術指標如RATIO均大于3、RDOP均小于5、RMS均小于0.02 m，滿足規(guī)范關于C級網(wǎng)基線精度的相關要求。

在武漢城市圈CORS系統(tǒng)建設中，先期完成了武漢市內(nèi)蔡甸、黃陂、新洲、漢南、東湖、勘測6個基準站，鄂州、仙桃、潛江、天門基準站則根據(jù)各地實際需求分期實施完成。后續(xù)建設的4個基準站與已建基準站的距離相對較遠，相鄰基準站之間最長基線達到了118 km(天門－黃陂)，且為維護方便和安全管理的需要，基準站初選一般位于建筑物樓頂，其中潛江、鄂州基準站均存在一定程度的周邊高層建筑遮擋，因此采用常規(guī)方法進行基準站站址測試的分析與評價，可能不能客觀、真實地反映基準站觀測環(huán)境，從而影響CORS系統(tǒng)的連續(xù)正常運行。在實際實施過程中，武漢市外4個基準站均按本文所述的方法和流程進行了基準站測試數(shù)據(jù)處理與分析，處理結果在滿足相關規(guī)范的要求下，才確認建立基準站。從建成后的效果看，各基準站運行穩(wěn)定，全天模糊度固定公共衛(wèi)星均在6顆以上，系統(tǒng)可用性均在95%以上，可為用戶提供實時、可靠、連續(xù)的高精度定位服務。圖8為武漢城市圈CORS系統(tǒng)構網(wǎng)圖。

圖8 武漢城市圈CORS系統(tǒng)構網(wǎng)圖

6 結 語

復雜情況下基準站站址的合理選取是保障跨區(qū)域CORS系統(tǒng)建成后連續(xù)、穩(wěn)定運行的關鍵之一。本文提出了從基準站觀測數(shù)據(jù)完好性、數(shù)據(jù)質(zhì)量、單點定位結果以及基線解算等四個方面對基準站測試數(shù)據(jù)進行分析，通過武漢城市圈CORS系統(tǒng)的建設實踐，表明了該方法的客觀性和科學性，對保障跨區(qū)域CORS系統(tǒng)的連續(xù)正常運行具有積極意義。

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Research on Processing and Analysis of Reference Stations Testting Data During Cross－regional CORS Setting up

Li JiangWei，Wan Pei，Li Tian
(Wuhan Geotechnical Engineering And Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

This paper discusses the processing of reference stations testing data during setting up CORS，.and indicates from four ways to analyse and appraise the data quality of reference stations，which are data integrality，the analysis of multipath，the results of single point positioning and baselines computing.Results of Wuhan metropolis continuously operating reference station show that the methods can factually reflect the observing circumstance and the outside influence.of reference stations.

Data Integrality；Multipath；SNR；Single Point Positioning；Repeatability of Baseline

1672－8262(2010)03－59－06

P228.43

A

2010—12—04

李江衛(wèi)(1976—)，男，博士，主要從事GPS數(shù)據(jù)處理及CORS系統(tǒng)應用研究。

精密工程與工業(yè)測量國家測繪局重點實驗室開放基金(PF2009－9)資助，武漢市科技推廣計劃(No.200930939389)。