東海區海洋觀測站GPS數據質量檢核和分析

丁 超，周興華，王朝陽，周東旭，張化疑，單 瑞

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266510；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.中國地質調查局青島海洋地質研究所，山東 青島 266071）

東海區海洋觀測站GPS數據質量檢核和分析

丁 超1,2，周興華1,2，王朝陽1,2，周東旭2，張化疑2，單 瑞3

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266510；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.中國地質調查局青島海洋地質研究所，山東 青島 266071）

利用TEQC軟件對中國沿海GNSS業務化觀測系統東部海區20個觀測站2009-2015年的GPS連續觀測數據進行質量檢測，分析多路徑效應（MP）與周跳比（o/slps）和信噪比（SNR）的相關性。分析結果表明：受接收機性能老化影響，觀測數據質量整體呈下降趨勢；多路徑效應與周跳比和信噪比存在較強的負相關；觀測數據質量對解算結果精度有一定影響，剔除多路徑效應較大的衛星觀測數據可有效提高解算精度。

TEQC；GPS；數據質量分析；多路徑效應；信噪比

GPS在觀測過程中會受到一些誤差源的干擾，導致數據質量較差。數據質量不僅會影響解算精度，而且還可導致基線解算失敗，因此，對觀測數據質量進行檢測是作業中一項不可缺少的環節[1-2]。目前，數據質量分析受到相關學者的密切關注，李軍等[3]對東北亞地區52個GPS臺站4 a的觀測資料進行了質量檢測，并對數據質量檢測結果進行了統計分析。魏二虎等[4]研究三級GPS大地控制網數據質量的檢測方法，并對觀測數據進行檢測和評定。陳超賢等[5]對福建連續觀測臺網不同時期建設的基準站數據進行質量檢測。鄭廣偉等[6]提出了采用分級評分的方法對GPS觀測數據進行指標評價。劉志敏等[7]選用L1偽距多路徑效應、L2偽距多路徑效應、L1載波的信噪比、L2載波的信噪比、周跳比5個質量評價指標對CORS站點數據進行質量檢核，并用Bernese軟件驗證指標對觀測數據質量評估的正確性。

在高精度GPS測量中，多路徑誤差成為一個必須考慮的誤差源[8]。中國沿海GNSS業務化觀測系統自2009年建成至今已連續運行7 a，觀測站數據的多路徑效應呈逐年遞增的趨勢。為了解GPS觀測站觀測環境好壞、接收機老化對解算結果的影響，本文對東海區20個觀測站近7 a的GPS連續觀測數據進行數據質量檢測，分析多路徑相關指標和數據質量對解算結果的影響，為設備維護、數據后處理提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源

自2009年始，國家海洋局在沿海56個海洋觀測站陸續增設GNSS觀測設施（GNSS接收機類型TOPCON TPS NET-G3，天線類型TPS CR.G3），建立了中國沿海GNSS業務化觀測系統[9]。本文收集了該系統東海區20個觀測站2009—2015年的連續觀測數據。臺站分布見圖1。

1.2 數據質量評價指標

目前，GPS觀測站數據的質量檢測普遍采用由UNAVCO(university NAVSTAR consortum)開發研制的TEQC軟件包。TEQC是一個操作簡單但功能強大的GPS數據預處理軟件，主要包含數據格式轉換、數據編輯以及數據質量檢測3個功能[10]。本文從數據可用率（DAR）、L1波段上的多路徑效應（MP1）、L2波段上的多路徑效應（MP2）、觀測值與周跳比（o/ slps）、信噪比（SNR）5個指標評價GPS觀測站的數據質量。其中，DAR反映接收機接收信號的穩定性，MP1、MP2反映L1和L2載波上的偽距和相位綜合多路徑影響，o/slps反映觀測數據周跳情況，信噪比是指接收的載波信號強度與噪聲強度的比值(dB/ Hz)，可以用來衡量測距信號質量的優劣[11]。各指標計算公式如下：

圖1 東海區GPS海洋觀測站分布

式中：N1表示觀測時間內有效數據的歷元個數；N表示觀測時間內觀測數據總歷元數。

式中：P1，P2分別為L1，L2載波上測得的偽距觀測值；φ1，φ2分別為L1，L2載波上的相位觀測值；a為L1，L2波段的頻率f1和f2之比的平方。

式中：C表示接收的載波信號強度；N0表示噪聲強度。

2 檢測結果分析

2.1 數據質量分析

利用TEQC軟件對東海區2009-2015年20個觀測站每天的觀測數據進行質量檢測，統計檢測結果。由于篇幅所限，表1列出統計的部分臺站近7 a DAR，o/slps，MP1，MP2的年平均值。

從表1可見，東海區大部分觀測站數據質量比較穩定，DAR年均值除朱家尖在82%左右，其余各站均在85%以上，且各站多年DAR年均值變化不大，接收機信號比較穩定，滿足《CH/T 2011-2012全球導航衛星系統連續運行基準站網運行維護技術規范》和《中國地殼運動觀測技術規范》規范要求。但隨觀測時間增加，觀測站o/slps值呈現不同程度的下降，MP1、MP2年均值呈現逐年增加趨勢，表明多路徑效應發生明顯、觀測數據質量變差。為更清晰地顯示東海區2009-2015年期間的數據質量變化情況，以平潭站為例，圖2給出了該站年均DAR，o/slps，MP1，MP2統計結果。

圖2 平潭站2009-2015年數據質量統計

從圖2可見，平潭站2009-20015年的數據完整性在80%附近，MP1年均值小于MP2年均值，MP1、MP2整體呈現逐年上升的現象，個別年份受太陽磁暴等影響MP值偏大。周跳比年均值呈現逐年下降趨勢，與MP1、MP2存在較強的相關性。

為了解周跳比逐年下降、多路徑逐年上升的原因，對比分析了平潭站、崇武站更換接收機前后的各項數據質量檢測指標。平潭站于2015年12月29日更換接收機，崇武站于2015年12月10日更換接收機，接收機類型均為TOPCON TPS NET-G5，未更換接收機天線和電纜。對比分析2015年1月和2016年1月兩個觀測站逐天的MP1、MP2、o/slps時間序列，統計結果如圖3～圖4所示。

從圖3、圖4可見，平潭、崇武站2015年1月觀測數據的MP1均值分別為0.94 m，0.45 m，MP2均值為1.57 m，0.65 m，MP值跳動較大，MP1最大值分別達到16.89 m，0.71 m，MP2最大值達到26.32 m，

0.97 m，表明更換接收機前多路徑效應明顯；更換接收機后MP1分別維持在0.40 m，0.37 m左右，MP2在0.50 m，0.40 m左右，數據觀測質量明顯提升，且沒有大的波動。對比分析平潭、崇武站更換接收機前后相同月份的數據，消除了測站周邊環境和季節等因素造成的影響。通過對更換接收機前的觀測數據質量分析結果可得出：接收機性能老化是造成周跳比逐年下降、多路徑逐年上升的主要原因。不同區域接收機老化程度不同，其原因有待進一步分析。

表1 東海區部分海洋站數據質量統計（DAR單位：%，MP1、MP2單位：m）

圖3 平潭站更換接收機前后MP1，MP2，o/slps時間序列

圖4 崇武站更換接收機前后MP1，MP2，o/slps時間序列

2.2 檢測指標相關性分析

通過對東海區各觀測站多年的觀測數據進行質量檢測發現，觀測數據的多路徑效應與周跳比和信噪比存在相關性。針對該現象，本文分別對多路徑效應與周跳比和信噪比的相關性進行了分析。

為此求取了多路徑和周跳比的相關系數。相關性系數的計算方法是將東海區20個GPS觀測站每個站近7 a的MP2值、o/slps值作為一對相關性時間序列。計算并統計了MP2和o/slps的相關性系數,如表2所示。

表2 東海區GPS觀測站MP2和o/slps相關系數

表2統計結果顯示，東海區20個GPS觀測站MP2和o/slps相關性系數有15個達到-0.80以上，最小值為連云港站-0.97，最大值為廈門站-0.38，均值為-0.82，屬于高度負相關。

利用平潭站2016年第3天的觀測數據分析了信噪比與多路徑效應的相關性，圖5～圖6分別給出了平潭站2016年第3天PRN 32衛星多路徑、信噪比隨時間變化圖。

圖5 PRN 32衛星MP2隨時間變化圖

圖6 PRN 32衛星SN2隨時間變化圖

從圖5和圖6可見，PRN 32的MP2值在接收衛星數據的起止時段較大且變化劇烈，對應相同歷元SN2值較低；在MP2值最小處對應SN2峰值。兩者呈現較強的相關性。為明確MP2、SN2隨衛星高度截止角的變化情況，圖7給出了MP2、SN2隨衛星高度角變化的大小。

圖7 MP2,SN2大小隨衛星高度角變化圖

從圖7可見，隨著高度角的增加，MP2值逐漸下降，SN2值逐漸上升，低于30°時變化明顯。MP2值在小于30°的高度角時較大，SN2值在小于30°的高度角時較低，MP2值最小值對應的高度角正是SN2值的最大值，兩者呈現較強的負相關。即當發生多路徑時，SNR隨衛星信號的質量的降低而降低。

綜上所述，多路徑效應作為數據處理中的一個重要誤差源，與周跳比和信噪比相關性較強，數據處理時可從相關性方面對多路徑進行改正以提高數據解算精度。

3 數據處理結果分析

為分析數據質量對解算結果精度的影響，采用Bernese軟件聯合觀測網周邊的WUHN、SHAO、TNML、DAEJ IGS站對東海區觀測站數據進行數據處理，制定3種方案進行數據解算分析研究：第一種方案選用2015年1月各觀測站數據進行數據處理；第二種方案利用2016年1月觀測站數據進行數據處理，平潭站觀測數據為更換接收機后的數據；第三種方案是除平潭站外的觀測站仍然選用2015年1月的原始數據，平潭站選用剔除MP值大于2.0 m的衛星觀測數據。利用上述3種方案對觀測數據進行處理后，分別計算并統計了平潭站在3種方案下解算結果在X，Y，Z方向坐標與坐標均值的偏差，結果如圖8所示。為了更清楚地顯示平潭站在3種方案下的解算結果精度，對X，Y，Z方向坐標與坐標均值偏差圖進行統計，結果如表3所示。

圖8 3種方案X，Y，Z方向坐標與坐標均值偏差圖

表3 3種方案X，Y，Z方向坐標與坐標均值偏差統計

從圖8和表3可見，方案一的數據處理結果坐標分量各個統計值均大于方案二、三結果，表明觀測數據質量影響數據解算質量；方案一的2015年1月原始數據MP值的最大值與數據解算坐標殘差序列的峰值相對應，表明在數據質量偏離閾值較大時對解算結果有明顯影響；方案三中剔除MP值較大的衛星觀測數據后坐標精度明顯提升，說明雖然Bernese軟件能較好地探測和修復GPS周跳，但在衛星觀測數據MP值較大的情況下，需對觀測數據質量進行控制以提高解算結果精度。

4 結論

本文對中國沿海GNSS業務化觀測系統東部海區20個GPS觀測站2009-2015年的連續觀測數據進行質量分析，探究觀測數據的多路徑效應(MP)與周跳比(o/slps)、信噪比(SNR)的相關性，在此基礎上分析觀測數據質量對解算結果精度的影響。結果表明：受接收機性能老化影響，觀測數據質量整體呈下降趨勢，造成個別臺站的數據質量不符合相關規范要求；MP與o/slps和SNR存在較強的負相關：MP、o/slps的相關系數為-0.82，MP、SNR值隨衛星高度角增加呈不同的變化趨勢；通常情況下觀測數據質量對解算結果精度的影響不大，對于觀測數據質量較差的數據可采用剔星方法來提高解算結果精度。

[1]許其鳳.空間大地測量學[M].北京:解放軍出版社,2001.

[2]楊哲，戴吾蛟，余文坤，等.不同觀測環境中基于TEQC的GNSS數據質量分析[J].大地測量與地球動力學,2010,30(5):135-139.

[3]李軍，王繼業，熊熊，等.東北亞地區GPS觀測數據質量檢測和分析[J].武漢大學學報,2006,31(3):209-212.

[4]魏二虎，王中平，龔真春，等.TEQC軟件用于GPS觀測網數據質量檢測的研究[J].測繪通報,2008,2008(9):6-9.

[5]陳超賢，陳光，王青平，等.福建GPS連續觀測臺網數據質量檢測和分析[J].大地測量與地球動力學,2014,34(4):17-20.

[6]鄭廣偉，徐思達，賈國憲，等.GPS觀測數據質量評價指標分析[J].海洋測繪,2012,32(3):37-40.

[7]劉智敏，楊婷婷，黃超，等.基于改進TEQC的區域CORS站點質量檢核[J].測繪工程,2016,25(5):1-5.

[8]Jayanta Kumar Ray.Mitigation of GPS code and carrier phase multipath effects using a multi-antenna system[D].The University of Calgary,2000.

[9]周東旭，周興華，張化疑，等利用GPS連續觀測進行中國沿海驗潮站地殼垂直形變分析 [J].武漢大學學報,2016,41(4): 516-522.

[10]EsteyLH，Meertens CM.TEQC:The multi pugpose toolkit for GPS/GLONASSdata[J].GPSSolutions,1999,3(1):42-49.

[11]張慶軍，袁運斌，彭小強，等GNSS觀測數據質量分析軟件設計[J].煤炭技術,2016,35(4):100-102.

Quality Checking and Analysis on GPS Data in the East China Sea Observing Station

DING Chao1,2,ZHOU Xing-hua1,2,WANG Zhao-yang1,2,ZHOU Dong-xu2,ZHANG Hua-yi2,SHAN Rui3
1.Geomatic College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,Shandong Province,China; 2.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,Shandong Province,China; 3.Qingdao Institute of Marine Geology,China Geological Survey,Qingdao 266071,Shandong Province,China

In this paper,the quality of GPS continuous observation data from the Chinese coastal GNSS operational observing system during the years 2009-2015 is checked with the TEQC software,and the analysis on the correlation is conducted between muti-path (MP)and cycle slip (o/slps)and signal to noise ratio(SNR) Correlation.The results show that,influenced by the aging effects of receiver performance,the overall quality of observational data shows a downward trend.A strong negative correlation exists between MP and o/slps and SNR, and the quality of observation data will pose effects on the accuracy of calculation results.The precision of the solutionin can be effectively enhanced through eliminating the satellite data with larger multipath effects.

TEQC;GPS;data quality analysis;multi path effect;SNR

P228

A

1003-2029（2017）02-0089-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.015

2016-08-04

國家國際科技合作專項資助項目——自主星載高度計海面測高在軌絕對定標關鍵技術研究(2014DFA21710)；國家海洋局GNSS業務運行項目資助；國家自然科學基金資助項目（41406115）；青島市市南區科技發展資金資助項目（2016-3-015-ZH）

丁超（1990-），男，碩士研究生，主要從事GNSS數據質量分析研究。E-mail：dingchao0206@126.com