BDS/GPS/GLONASS兼容的CORS站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與評定

黃穎

摘 要：隨著北斗導航定位系統(tǒng)（BDS）的逐步建立和發(fā)展，我國的CORS站點需要逐步升級兼容BDS系統(tǒng)，升級后需要對CORS站觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析和評定。本文分析了BDS/GPS/GLONASS兼容的CORS站觀測數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了綜合評定。詳細介紹了多星座觀測數(shù)據(jù)多路徑計算方法，并以長沙CORS中大瑤、花明樓兩個多星座基準站為例，利用TEQC軟件對原始觀測數(shù)據(jù)進行分析，對單GPS及GPS加BDS雙系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行綜合評定。結(jié)果表明，大瑤站與花明樓站的多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的多路徑效應比單系統(tǒng)的減小了35%-55%，最大為0.054m，可見衛(wèi)星數(shù)增加了一倍多，雙系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的DOP值可以穩(wěn)定保持在1～2，數(shù)據(jù)利用率為100%，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。升級后兼容BDS的多系統(tǒng)基準站觀測數(shù)據(jù)具有較高的質(zhì)量以及穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：長沙CORS；TEQC；北斗；質(zhì)量分析

0 引言

長沙市統(tǒng)一連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（ChangSha Continuously Operating Reference Stations， CSCORS）是長沙市國土資源的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，是支撐土地調(diào)查、構(gòu)建國土資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實時動態(tài)更新機制、土地利用變更調(diào)查、土地開發(fā)整理、基本農(nóng)田保護、土地利用執(zhí)法檢查、地質(zhì)災害預報預警等業(yè)務順利開展的重要技術(shù)手段，可分別為用戶提供米級、分米級、厘米級服務。該系統(tǒng)與土地批、供、用、補、查等日常管理業(yè)務建立有機銜接關(guān)系，實現(xiàn)了用地、管地業(yè)務自動化，從技術(shù)上降低或杜絕了土地管理上人為因素導致的違法、違規(guī)行為，為長沙市土地資源利用和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供了一種有利保障，社會效益顯著。

隨著北斗導航定位系統(tǒng)（Beidou Navigation System， BDS）的逐步建立和完善，北斗兼容GPS/GLONASS的多頻多模技術(shù)大大提高了CORS的實時性、安全性、空間可用性、時間可用性和可靠性等性能指標。長沙市在一期連續(xù)運行參考站系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對大瑤（Dayao）以及花明樓（Huaminglou）兩臺基準站設(shè)備進行升級改造，升級后的基準站設(shè)備支持北斗、GPS以及GLONASS。

本文詳細介紹了TEQC中多路徑效應的計算方法，并選取CSCORS中大瑤和花明樓兩個站點的實際觀測數(shù)據(jù)，利用TEQC軟件來分析和對比升級前后站點數(shù)據(jù)的一些性能指標，論證并給出CSCORS基準站升級后的總體數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，對提高北斗導航定位系統(tǒng)在長沙市的工程化應用水平具有重要意義[ 1-2 ]。

1 分析評價內(nèi)容及方法

根據(jù)有關(guān)規(guī)范及CORS系統(tǒng)服務的實際要求，CORS站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標主要包括導航衛(wèi)星時空可用性、數(shù)據(jù)完好性、多路徑（MP1/MP2）、信噪比和數(shù)據(jù)利用率。通常采用TEQC軟件進行分析，其中多路徑是重點分析內(nèi)容。

1.1 TEQC軟件簡介

TEQC（Translation，Editing and Quality Checking）軟件是一款簡單易用、功能強大的GNSS數(shù)據(jù)預處理軟件，由UNAVCO Facility（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）研制，可對GNSS數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、文件編輯和質(zhì)量檢核，本文所用的版本日期為2013年3月15號[ 3-6 ]。

TEQC是一個命令行運行軟件，在DOS/Windows DOS環(huán)境下運行。對于接收到的原始數(shù)據(jù)，首先通過自編的解碼軟件分別解出單GPS的觀測文件（O文件）、導航文件（N文件）和GPS+BDS的觀測文件（O文件）、導航文件（N文件、C文件），再分別用TEQC進行質(zhì)量檢核。

TEQC質(zhì)量檢核有2種模式：lite模式和full模式。Lite模式只需要O文件，以TEQC.exe軟件和文件都放在電腦D盤根目錄下為例，命令為：

D：

cd D：＼

teqc +qc D：＼HMIN2480.13o

上面每行結(jié)束后都需要敲回車鍵，且其中的標點都是英文狀態(tài)下的，且需要有空格的地方不能缺少空格。

運行結(jié)束后將生成7個文件x.yearS，x.ion，x.iod，x.mp1，x.mp2，x.sn1，x.sn2。其中x為文件名，year是表示文件的年份。

full模式需要O文件和導航文件。若O文件和導航文件在同一目錄下，命令和lite模式下的命令一樣，此時TEQC會自動尋找導航文件。此模式下將生成9個文件，除上面提到的7個文件還增加了衛(wèi)星和接收機天線的位置信息以及x.azi，x.ele這兩個文件。

其中x.yearS是分析結(jié)果匯總文件；x.ion是L1/L2電離層延遲；x.iod是電離層延遲的變化率；x.mp1是L1載波上的C/A碼或P碼的多路徑觀測誤差；x.mp2是L2載波上的P碼多路徑觀測誤差；x.sn1是L1觀測值的信噪比；x.sn2是L2觀測值的信噪比；x.azi是衛(wèi)星方位角；x.ele是衛(wèi)星高度角。

參考站的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析主要由四部分組成：多路徑誤差分析（MP1、MP2）、數(shù)據(jù)利用率、信噪比（SN1、SN2）、觀測值和周跳比值（o/slps）。數(shù)據(jù)利用率為Possible/Complete obs的比值，即預期歷元數(shù)與實際歷元數(shù)比值；o/slps為實際歷元數(shù)與周跳數(shù)的比值，有時也用CRS=1000/o/slps表示；多路徑誤差直接反映了站點周圍的環(huán)境質(zhì)量，S文件中對多路徑誤差分析較為詳細。其中，數(shù)據(jù)利用率只有在full模式下才可以計算得出。

1.2 多路徑誤差計算方法

兩個頻率上的偽距觀測值多路徑效應通常可以通過偽距和載波相位觀測值的線性組合分別求得，其計算公式如下[7-8]：

上式中，、分別表示北斗、波段上的偽距和載波相位觀測值的多路徑效應組合；為偽距觀測值；為載波相位觀測值（單位m）；為觀測噪聲；為偽距觀測值的多路徑效應；為載波相位觀測值的多路徑效應；為整周模糊度；，為載波相位觀測值的頻率；為載波相位觀測值的波長。

如果沒有周跳發(fā)生，則是常量，因為、遠遠小于、，所以、主要反映了偽距多路徑效應的影響。偽距多路徑效應可以通過對和求標準差（STD）來進行統(tǒng)計。

多路徑效應值是通過各歷元的、值減去、均值得到的，而、均值是通過5min內(nèi)各歷元的、值求平均獲得的。但當有周跳發(fā)生時、均值要從發(fā)生周跳的歷元重新開始計算[9-10]。

2 實測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

在升級后的CSCORS系統(tǒng)中選取了大瑤和花明樓兩個CORS站點，分別接收了一整天的數(shù)據(jù)，采樣率為1s的原始數(shù)據(jù)，采用自編的解碼軟件解出單GPS觀測文件，GPS+BDS觀測文件，導航文件。

比較花明樓站點單天衛(wèi)星數(shù)變化，詳情見下圖：

從圖1可以看出，花明樓站的觀測環(huán)境較優(yōu)，大部分時間內(nèi)GPS衛(wèi)星數(shù)都在7顆以上，BDS衛(wèi)星數(shù)都在8顆以上，同時由于BDS系統(tǒng)本身星座結(jié)構(gòu)，其衛(wèi)星數(shù)變化較為緩慢，相比較GPS和BDS系統(tǒng)，GLONASS其衛(wèi)星數(shù)部分時段僅為5顆。

DOP值直觀反映了所觀測的衛(wèi)星的幾何位置與空間分布情況。通過計算其DOP值，來反應各星座的構(gòu)型，對各星座DOP值進行比較，結(jié)果如下：

從圖2花明樓站DOP值圖可以看出，單GPS系統(tǒng)的DOP值在3-6之間；單BDS系統(tǒng)的DOP值在兩個時刻發(fā)生了突跳，是由于BDS衛(wèi)星都分布在北半球，造成衛(wèi)星星空圖結(jié)構(gòu)不佳，且當時沒有觀測到GEO衛(wèi)星，從而DOP值突跳。但GPS+BDS雙系統(tǒng)結(jié)合后的DOP值都在2以下，可見在單GPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入BDS系統(tǒng)后可觀測的衛(wèi)星數(shù)增多，從而改善了星空圖分布，減小了DOP值。

采用TEQC軟件的full模式分析解碼軟件解出的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1和表2。

從表1和表2的TEQC分析結(jié)果中可以得到以下結(jié)論：

（1）MP1/MP2表征了L1和L2頻段多路徑誤差的影響。一般來說，MP1和MP2分別小于0.35和0.45時，多路徑效應帶來的誤差不會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。兩個站升級后的MP1分別為0.054和0.050，MP2分別為0.037和0.042，結(jié)果表明CSCORS基準站的觀測環(huán)境較好，升級后多系統(tǒng)的多路徑效應對系統(tǒng)整體運行影響較小。

（2）SN1/SN2表示L1和L2觀測值的信噪比，設(shè)備/數(shù)據(jù)的信噪比越高表明它產(chǎn)生的噪聲越少。一般來說，信噪比越大，信號受外界噪聲因素影響較低。在CSCORS多星座基準站點中，信噪比SN1>40，是SN2>35，達到基準站建設(shè)要求。

（3）觀測值與周跳比值（obs/slip）表征了基準站數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，其值越大，說明周跳越少。上述數(shù)據(jù)結(jié)果表明CSCORS基準站的數(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）數(shù)據(jù)利用率表征了基準站有效觀測值的多少，利用率越高，說明基準站觀測環(huán)境越好，數(shù)據(jù)質(zhì)量越高。CSCORS多星座基準站數(shù)據(jù)利用率均為100%，有效觀測值多，觀測環(huán)境好，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，無數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

綜上所述，可見CSCORS一期站點附近沒有大型的反射平面，多路徑效應較小，觀測環(huán)境較為理想，觀測到衛(wèi)星數(shù)較多，數(shù)據(jù)質(zhì)量均達到設(shè)計要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，可被充分利用。在進行基站設(shè)備二期升級，加入BDS系統(tǒng)后，可見衛(wèi)星數(shù)增多了一倍有余，DOP值保持在1～2之間，多路徑效應影響較小，數(shù)據(jù)利用率高，對由于觀測環(huán)境（如遮擋、信號干擾等）造成的可用衛(wèi)星過少造成的無法精確定位問題進行了有效改善，時效性、安全性定位精度以及可靠性將大大提高。

3 結(jié)論

本文詳細介紹了TEQC軟件的使用及其多路徑效應計算方法。通過利用TEQC軟件對CSCORS升級后的兩個站點的實測數(shù)據(jù)進行了單GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)和GPS+BDS數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析，從分析結(jié)果可以看出CSCORS站點的各項指標均滿足當初設(shè)計CORS網(wǎng)的要求，在高度角在10°以上的觀測量中有效觀測量均為100%，偽距觀測質(zhì)量MP1和MP2均小于0.1m，信噪比較大，受到衛(wèi)星失鎖、信號中斷等情況很少，周跳很少，衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量高。CSCORS二期工程升級加入BDS系統(tǒng)這些指標有進一步的提高，多路徑值減小了35%-55%，最大為0.054m，可見衛(wèi)星數(shù)增了一倍多，DOP值減小到2以下?？梢灶A見，長沙三系統(tǒng)多模多頻CORS網(wǎng)將為長沙市陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)提供了穩(wěn)定、連續(xù)、高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1] 余文坤，戴吾蛟，楊 哲.基于TEQC的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及預處理軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].大地測量與地球動力學，2010，30（5）：81-85.

[2] 吳文壇，張現(xiàn)禮，史進志.TEQC在河北CORS系統(tǒng)站點環(huán)境檢測中的應用[J].地理空間信息，2009，7（6）：81-84.

[3] Louis H. Estey and Charles M. Meertens. TEQC： The Multi-Purpose Toolkit for GPS/GLONASS Data [J].GPS Solutions.1999， 3（1）：42-49.

[4] 高成發(fā)，胡伍生.衛(wèi)星導航定位原理與應用[M].北京人民交通出版社，2011.40-61.

[5] UNAVCO Facility. TEQC-Tutorial [EB/OL].http：//facility.navco.org/software/teqc/teqc.html，2012-07-06.

[6] 李沖，何鑫信.TEQC在GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查中的常見問題及解決方案[J].全球定位系統(tǒng)，2010（5）：48-50.

[7] 古偉洪，田鵬波.運用TEQC軟件對GPS數(shù)據(jù)的預處理與質(zhì)量評定[J].地理空間信息，2008，6（6）：37-39.

[8] 丁 銳.利用TEQC軟件對GNSS連續(xù)參考站選址的數(shù)據(jù)分析[J].城市勘測，2009，（1）：56-59.

[9] 張亦梅.應用TEQC對湖北省陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)站的觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析[J].大地測量與地球動力學，2011（31）：94-97.

[10] 范士杰，郭際明.TEQC在GPS數(shù)據(jù)預處理中的應用與分析[J].測繪信息與工程，2004（29）：33-35.