昆明CORS加密基準站的質量評價

王晶,朱大明,倪曙,王友昆,,劉晨

(1.昆明理工大學國土資源工程學院,云南 昆明 650093; 2.昆明市測繪研究院,云南 昆明 650051;3.武漢大學測繪學院,湖北 武漢 430079)

0 引 言

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satelite System,GNSS)是國家信息體系的重要空間基礎設施,已經(jīng)影響到人類科技和生活的方方面面。其主要包括美國的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GPS(Global Position System,GPS)、中國的BDS北斗導航定位系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GLONASS)以及歐洲的GALILEO衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(Galileo Satellite Navigation System,GALILEO)[1]。隨著測繪科學技術的發(fā)展,GNSS基準站網(wǎng)的建設規(guī)模越來越大,其能將定位精度提高到毫米級,目前不同尺度的連續(xù)運行基準站網(wǎng)被建立,如大尺度的全球跟蹤站網(wǎng)(International GNSS Service,IGS)、中尺度的國家級或省市參考站網(wǎng)如:美國連續(xù)運行參考站網(wǎng)(Continuously Operating Reference System,CORS)、中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(The Crustal Movement Observation Network of China)、云南省CORS網(wǎng)(YNCORS)、廣東省CORS網(wǎng)(GDCORS)、浙江省CORS網(wǎng)(ZJCORS)等,小尺度的各種橋梁、隧道、大壩工程基準網(wǎng)。這些不同尺度的GNSS連續(xù)運行基準站網(wǎng)為研究全球板塊運動、地殼形變監(jiān)測以及橋梁隧道等重大工程監(jiān)測的研究提供了強有力的技術支撐,因此基準站網(wǎng)的可靠性顯得尤為重要,目前從觀測數(shù)據(jù)的質量的可靠性和基準站的穩(wěn)定性對基準站進行評價是檢核不同尺度的CORS站能否成為可靠的空間基準的有效方法。

1 基準站的質量評價

1.1 觀測數(shù)據(jù)質量的評價指標

數(shù)據(jù)質量的評價參考了BD 420022—2019《北斗/全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)測量型接收機觀測數(shù)據(jù)質量評估辦法》[2]采用了以下5個評價指標,即數(shù)據(jù)完整率,MP1(第一頻率的多路徑誤差),MP2(第二頻率的多路徑誤差),SN1(L1載波上的信噪比),SN2(L2載波上的信噪比)和周跳比。

(1)數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率是定義GNSS接收機接收的觀測歷元同理論觀測歷元的比值,其能夠反映接收衛(wèi)星信號的完整程度,計算公式如下:

(1)

上式中,α表示數(shù)據(jù)完整率,Ni和N0分別表示實際觀測歷元和理論觀測歷元的數(shù)量。該指標大于等于90%則表示接收機接收衛(wèi)星信號的完整度較好。

(2)第一頻率的多路徑誤差(MP1)

接收機工作時,除了收到直線到達的衛(wèi)星信號外,還會接收到測站附近地物反射回的衛(wèi)星信號,這些反射回的信號與直線到達的衛(wèi)星信號產(chǎn)生疊加使得接收機接收到的信號產(chǎn)生延時效應。MP1為觀測信號相對于第一頻率上多路徑效應的影響。MP1值愈小,接收機抗多路徑效應的能力越強。MP1的計算公式如下:

(2)

(3)第二頻率的多路徑誤差(MP2)

類似MP1,MP2則為觀測信號相對于第二頻率上多路徑效應的影響。MP2的值愈小,接收機抗多路徑效應的能力越強。MP2的計算公式如下:

(3)

式中,P2為第二頻率上的偽距觀測值,φ1、φ2和α與式(2)相同。MP2小于等于 0.65 m的情況下可認為抗多路徑效應能力較好。

(4)信噪比(SN1,SN2)

信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)是指接收機所接收信號的信號功率與噪聲功率之比,其反映GNSS系統(tǒng)測距信號質量的優(yōu)劣,是判別GNSS系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標。觀測信號不同的傳輸頻率對應著不同載波的信噪比。L1、L2載波上的信噪比分別為SN1、SN2,其值愈大,證明觀測信號的質量越好。SN1、SN2的計算公式如下:

(4)

上式中,S1、N1分別指GPS系統(tǒng)在L1載波上的信號功率和噪聲功率,S2、N2同理。通常SN1大于 4.5 dB,SN2大于 5.5 dB的情況下視為觀測信號較好。

(5)周跳比

周跳(Cycle Slips)是指某個觀測時段內由于衛(wèi)星失鎖繼而引起觀測信號發(fā)生整周計數(shù)跳變或中斷。周跳比用來描述特定時間段內接收機觀測數(shù)據(jù)的實際歷元數(shù)據(jù)量與周跳歷元數(shù)據(jù)量的比值,該值是反映觀測數(shù)據(jù)質量的指標之一。通常使用TEQC軟件來計算周跳比,以反映觀測值周跳的嚴重程度,計算公式如下:

(5)

其中,o/slps,num_all分別表示周跳比和觀測值數(shù)量,num_skip為周跳數(shù)量,由式(5)可知,o/slps越小,則周跳越明顯。

1.2 基準站穩(wěn)定性的評價

對于建成時間長且積累了大量觀測數(shù)據(jù)的基準站,對其進行分析評價,除了對基準站的觀測數(shù)據(jù)質量進行分析外還需要研究其時間序列分析[3]。精準的時間序列能夠擬合出站速度和速度場成果,以便于精準研究基準站的動態(tài)變化情況。KMCORS加密站建成不久,觀測數(shù)據(jù)質量有限,故本次研究只對其兩期加密站的CGCS2000坐標進行對比分析。

2 KMCORS加密基準站的分析評價

昆明市連續(xù)運行基準站(Kunming Continuously Operating Reference Stations,KMCORS)[4,5]是昆明市現(xiàn)代測繪基準的核心組成部分,是構建現(xiàn)代PNT(Positioning Navigation and Timing,定位導航與授時)服務[6,7]的基礎。KMCORS通過網(wǎng)形合理,密度恰當?shù)幕鶞收揪W(wǎng)維持CGCS2000(China Geodetic Coordinate System 2000,2000國家大地坐標系)坐標框架[8,9]。2021年,為進一步優(yōu)化網(wǎng)形結構,增強服務性能,KMCORS進行了全面的升級改造,其中包括增設8個加密基準站。本研究對這8個加密基準站進行了質量評價,包括GNSS(Global Navigation Satellite System,全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))觀測數(shù)據(jù)質量測試和點位穩(wěn)定性評估。

2.1 數(shù)據(jù)收集

為滿足加密站質量評估的需求,本研究采集了KMCORS中的14個基準站(包括6個原基準站和全部8個加密站)的兩期GNSS觀測數(shù)據(jù)。其中,第一期為2021年10月1日至7日(對應DOY(Day-of-Year,年積日)274-280,2021),第二期為2022年3月1日至7日(DOY 60-66,2021)。另需說明的是,測站位置和代號為保密數(shù)據(jù),在此恕不展示。

2.2 數(shù)據(jù)規(guī)整

由于收集到的觀測數(shù)據(jù)版本不統(tǒng)一,且有效的衛(wèi)星系統(tǒng)涵蓋了GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)、Galileo系統(tǒng)以及中國的BDS系統(tǒng),鑒于GAMIT解算的需要,需要統(tǒng)一觀測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星系統(tǒng)、版本以及采樣率。目前GPS系統(tǒng)是全球最穩(wěn)定的衛(wèi)星導航系統(tǒng),主流的高精度GNSS解算軟件GAMIT處理GPS系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的效果最佳,經(jīng)過大量實踐證明,30 s的采樣間隔,2 880個歷元的觀測數(shù)據(jù),解算可以得到效果較優(yōu)的單日解。故本研究將采用GFZRNX軟件將所收集到的數(shù)據(jù)規(guī)整為GPS系統(tǒng),30 s采樣間隔,2 880個歷元。

2.3 觀測數(shù)據(jù)質量測試

采用TEQC軟件[10]對上節(jié)采集到的觀測數(shù)據(jù)進行質量測試,測試指標為:數(shù)據(jù)完整率,MP1,MP2,SN1,SN2和周跳比。圖1～圖6即為質量測試結果。另需注意的是,由于篇幅原因,故在此僅展示隨機挑選的5個加密站的測試結果。

圖1 KMCORS加密基準站的數(shù)據(jù)完整率

圖1表明KMCORS加密站的數(shù)據(jù)完整率均在97%以上,遠超90%(限差,下同);圖2和圖3則表明加密站的SN1均大于 4.5 dB,SN2均大于 5.5 dB;圖4和圖5可見各站的MP1都低于 0.5 m,MP2都低于 0.55 m;圖6則顯示各測站的周跳比均大于200。綜上,加密站GNSS數(shù)據(jù)的各項指標均滿足要求,證明其運行穩(wěn)定,觀測條件良好,可為CORS中心實時傳輸可靠的GNSS觀測數(shù)據(jù)。

圖2 KMCORS加密基準站的SN1

圖3 KMCORS加密基準站的SN2

圖4 KMCORS加密基準站的MP1

圖5 KMCORS加密基準站的MP2

圖6 KMCORS加密基準站的周跳比

3 點位穩(wěn)定性分析

3.1 基線解算

采用GAMIT/GLOBK軟件(v10.71)[11-13]對第1節(jié)所示的兩期觀測數(shù)據(jù)分別組網(wǎng)進行基線解算,具體解算策略如表1所示:

表1 基線解算策略

基線解算完畢后,須進行基線解質量檢核。NRMS(Normalized Root Mean Square,歸一化均方根)NRMS是衡量基線解質量的重要指標,理想狀態(tài)下該值應該小于0.2,可由下式計算:

(6)

基線重復率能夠反映基線解的內部精度,是衡量基線解質量的重要指標之一,其公式如下:

(7)

整網(wǎng)基線重復率通常采用固定誤差和比例誤差表示,即:

σi=ai+biL

(8)

式中,σi表示觀測網(wǎng)各方向分量的中誤差,ai,bi分別表示各方向分量的固定誤差和相對誤差,L為各基線分量的長度。參考《衛(wèi)星定位城市測量技術標準》(CJJ/T 73—2019)[14],a應小于 5 mm,b應小于 1 ppm,經(jīng)計算,本項目所得基線求得的a為 1.51 mm,b為 0.32 ppm,滿足限差要求。綜上,NRMS和a,b均表明:基線解質量可靠,可用于下一步平差處理。

3.2 平差策略

本研究的選用CGCS2000坐標框架,固定已知點的CGCS2000坐標以傳遞所有待測點的坐標成果。平差所用策略如下:首先,固定1個原基準站的XYZ坐標進行無約束平差;而后,評估其余5個原基準站的坐標成果與已知成果的差異,若XYZ三方向均小于 5 mm,則將其納入已知點進行二次(約束)平差,否則予以作為待求點;最后,固定所有穩(wěn)定點,確定8個加密站的CGCS2000坐標。根據(jù)上述策略,分別確定8個加密站的兩期坐標成果。

3.3 穩(wěn)定性分析

通過兩期坐標成果作差,即可判斷加密站是否穩(wěn)定。根據(jù)GNSS定位的誤差,在此規(guī)定:若三方向較差均小于 1 cm,才可確定點位穩(wěn)定。如表2所示,所有加密站的三方向較差,即△X,△Y和△Z均小于 1 cm,表明各加密站自投入運行以來,位置穩(wěn)定,未發(fā)生偏移,其初期坐標成果可靠,無須更新。

表2 加密站的兩期坐標成果較差

4 結 論

本次研究利用了KMCORS加密站2021年年積日為274～280和2022年年積日為060～066的兩期觀測數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)完整率、MP1、MP2、SN1,SN2、周跳比等方面進行了數(shù)據(jù)質量分析,再將兩期基準站在CGCS2000框架下的坐標進行對比,得出以下結論:

(1) KMCORS加密站的GNSS觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率均在97%以上;且各加密站的SN1均大于 4.5 dB,SN2均大于 5.5 dB;各站的MP1都低于 0.5 m,MP2都低于 0.55 m;各站的周跳比均大于200。綜上說明加密站接收環(huán)境較好,觀測信號平穩(wěn),可為CORS中心實時傳輸可靠的GNSS觀測數(shù)據(jù)。

(2) 加密站的兩期坐標成果較差低于限差,證明加密站的位置穩(wěn)定,其坐標成果短期內無須更新能夠作為可靠的空間基準為授權用戶提供服務。