中國境內IGS基準站觀測數據質量分析

隋銘明

摘 要：隨著全球衛星導航系統的迅速發展，全球以及各個國家和地區相繼建設了GNSS基準站網，GNSS基準站觀測數據的質量對于系統應用的精度和可靠性至關重要。本文重點對中國境內多個IGS基準站的原始觀測數據進行了質量分析，從數據完整率、多路徑效應、信噪比和周跳比等方面進行了多維度評價。結果表明，中國境內IGS基準站的觀測數據質量整體良好，少數站點存在信噪比、多路徑指標較差的問題。

關鍵詞：IGS; GNSS基準站; 衛星信號; 質量分析

中圖分類號：P223? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）7-179-002

全球衛星導航定位系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）近年來發展迅速，美國、俄羅斯、歐盟和中國先后完成了各自系統的部署[1]。與此同時，全球范圍內已經建立了許多不同區域、不同尺度和用途的GNSS基準網，如國際GNSS服務（International GNSS Service，IGS）維護的全球基準站網、美國和中國等國家級基準網以及江蘇省基準站網等區域級基準站網等。

隨著基準站網用戶不斷增多，保障數據質量的穩定變得尤為重要。衛星端、信號傳播過程以及接收端，都存在多種因素會對基準站觀測數據質量造成影響，進而直接影響到導航定位的精度和可靠性，因此有必要開展GNSS基準站數據質量的分析評估。IGS基準站網作為全球規模最大、分布最廣的基準站網，為高精度全球參考框架的建立、精密地球自轉參數的確定、GNSS軌道的確定以及區域地球動力學研究提供了有力支撐[2]。開展IGS基準站特別是我國境內的IGS基準站觀測數據的質量分析，對于開展GNSS科學研究以及國內相關工程的應用具有十分重要的意義。

1.IGS建設現狀

IGS是國際大地測量協會為支持大地測量和地球動力學研究，于1993年組建的一個國際協作組織，1994年1月1日正式開始工作，面向全球提供GNSS觀測數據、精密星歷、自轉參數、大氣延遲等產品服務，以滿足廣泛的科學研究及工程領域的需要。

IGS由全球分布的400多個永久連續運行的GNSS基準站網、4個數據中心和11個分析處理中心組成[3]。基準站網的跟蹤數據是IGS的重要數據基礎，是相關產品加工處理的源數據。分析中心能夠直接和跟蹤站進行通信，收集原始觀測數據，并對基準站數據進行處理分析，數據中心對各分析中心的產品進行綜合計算，得到最終的數據產品。

目前，在全球分布的IGS基準站中，有10余個在中國境內，分別位于武漢、北京、烏魯木齊、拉薩、長春、昆明、西安、上海、香港和臺灣等地。在建立我國國家坐標框架和全球坐標框架的聯系時，往往和這些基準站進行聯測，同時采用站點的坐標作為約束進行聯合平差。基準站觀測數據質量的好壞直接決定了應用的效果，因而有必要從多個維度對基準站的衛星信號質量進行分析。

2.數據質量分析指標

國內外數據質量分析采用的精度指標各有差異，其計算和分析方法與標準也不統一，大多采用數據完整率、多路徑誤差、信噪比和周跳比等分析指標，它們可以全面反映GNSS觀測數據的質量。

2.1數據完整率

數據完整率為觀測數據的實際歷元數與預期歷元數比值，反映了當衛星高度角大于截止高度角時數據的完整性。數據完整率越高，觀測質量越高。數據完整率也能反映觀測環境的優劣情況。接收機故障或環境干擾可能導致數據利用率過低。

2.2多路徑誤差

基準站在接收來自衛星直接信號的同時，也接收了測站周圍的反射物反射的衛星信號，二者產生干涉時延效應，從而產生觀測值與真值的誤差[4]。其不僅影響測量精度，嚴重時甚至會引起信號失鎖，是一項重要的誤差。多路徑誤差可以利用偽距和載波相位觀測值的組合進行計算。

多路徑效應的主要影響因素是測站周邊環境，對于多路徑效應引起的測量誤差，主要通過從改善設備和觀測環境兩方面減弱，如選擇高性能接收機和扼流圈天線，選擇良好觀測條件等措施。

2.3信噪比

在衛星信號的傳輸過程中，由于各種原因，衛星接收機的輸入端的信號會混雜進一些噪聲，信號的質量一般情況下用信噪比來表示，其計算方法是載波信號和噪聲的平均功率的比值，因而也可以稱之為載噪比。

信噪比反映了信號的強度，對于接收機對衛星信號的搜索能力、追蹤效率以及定位精度來說都是重要且不可或缺的參數，是用來評價載波相位觀測值的重要指標。衛星信號的信噪比通常情況下與衛星發射天線增益、地面接收機天線增益、接收機和天線的放置角度、衛地距離、電離層損耗、多路徑效應都有一定的關系。通常，信噪比的值越大，表明信號的強度和質量越好，從而觀測的質量和精度越高。

2.4周跳比

周跳是指在載波相位測量中，由于衛星信號的失鎖而導致的整周計數的跳變或中斷。造成周跳的原因是多樣的，其中主要有衛星信號的遮擋，外界環境導致的信號失鎖，接收設備質量問題等。周跳比越低，表明發生周跳的歷元占總的觀測歷元的比值越低，在總的觀測歷元相同的情況下，則發生周跳的歷元越少。

3.觀測數據質量分析結果

3.1數據來源

為了對中國境內的IGS基準站的信號情況進行綜合評價，本文選擇了具有代表性的12個基準站的數據進行分析，12個站點分布在大陸、香港和臺灣等區域，具體站點列表見表1所示。具體質量分析時，采用了2019年1月28日24小時的原始觀測數據進行。

3.2質量分析工具

數據質量分析使用TEQC軟件進行，其是國際上應用最為廣泛的GNSS數據質量分析軟件，由美國衛星導航系統與地殼形變觀測研究大學聯合體研制[5]。軟件主要功能包括數據格式轉換、數據編輯和質量檢核等，本文主要利用其質量檢核功能。TEQC質量檢核有兩種模式：lite模式和full模式，full模式的質量檢測需要RINEX2.11格式的觀測值o文件和導航n文件，lite模式下的質量檢測只需要o文件，只有在full模式下才能計算數據利用率和衛星高度角。

3.3分析結果

對12個站點的數據質量各指標的分析結果如表1所示，MP1、MP2代表的是L1和L2頻率的多路徑誤差，SN1和SN2分別代表的信噪比，o/slps為周跳比。

對于數據完整率，所有站點均達到95%及以上，由此可見，中國境內的這12個IGS基準點的有效觀測值較多，觀測環境良好，數據質量高，數據丟失現象少。

對于多路徑效應，一般認為MP1和MP2分別小于0.35和0.45時，由其產生的誤差幾乎不會對系統穩定運行造成影響，滿足該條件的站點有五個，分別是BJFS、TWTF、HKWS、HKSL、TCMS。而CHAN和SHAO兩個基準站的多路徑影響較為嚴重。

對于信噪比而言，信噪比值越大，信號受外界噪聲影響越小，信號質量越高，從圖2中發現12個站點中BJNM、CKSV、KNKM、TCMS四個基準站的觀測數據受外界噪聲影響較大。

對于周跳，TEQC采用的是觀測值與周跳比（o/slps）作為指標，選取o/slps=200作為參考標準，o/slps越小說明周跳現象越嚴重。上述數據結果表明實驗選取基準站的數據接收較穩定，受到衛星失鎖、信號中斷等情況的影響較小。

4.結束語

本文用TEQC軟件對中國境內的12個IGS基準站的觀測數據進行了質量分析，結果可以看出，各基準站觀測數據質量較好，說明基準站的運行總體狀態良好，但也存在部分站點信噪比、多路徑指標較差的問題，其具體原因需要進一步探究。本文的研究對于分析評價中國境內各IGS基準站的信號質量具有一定的參考價值，但受限于分析的數據量偏少，基準站信號質量的穩定性有待于進一步分析。

參考文獻：

[1]龐之浩，王東.艱苦卓絕的“北斗”發展歷程[J]國際太空.2020（08）：13-18

[2]姜衛平.GNSS基準站網數據處理方法與應用[M]武漢：武漢大學出版社，2017.9-19

[3]何一辛，李浩軍，周晉.不同IGS分析中心產品精密單點定位結果分析[J]導航定位學報，2020，8（1）：38-42

[4]徐紹銓，張華海，楊志強等.GPS測量原理及應用（第三版）[M]武漢：武漢大學出版社，2018.100-113

[5]龔真春，趙龍海，林成壽等.TEQC結合RTKLIB軟件檢核GPS觀測數據質量[J]全球定位系統，2018，43（05）：123-128