高原山区水库边坡GNSS静态数据质量评价与分析研究
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摘 要： 針对云南省阿海水电站水库影响待观区变形监测工程项目，本文应用TEQC软件对GNSS观测数据进行数据质量检核，结合QCVIEW32和DOSBox0.74软件对数据质量检核结果可视化，对其多路径误差、观测数据与周跳比、数据利用率进行了分析。
关键词： GNSS;质量分析;多路径效应;周跳比;数据利用率
中图分类号： TP3 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.042
本文著录格式：费国俊，李向新. 高原山区水库边坡GNSS静态数据质量评价与分析研究[J]. 软件，2020，41（01）：192195+204
【Abstract】： In view of the deformation monitoring project of the reservoir impact observation area of Ahai Hydropower Station in Yunnan Province. The data quality check of GNSS observation data is carried out by TEQC software， and the data quality check results are visualized by QCVIEW32 and DOSBox0.74 software. The multi- path error， ratio of observed data to cycle slip， and data utilization ratio are analyzed.
【Key words】： GNSS; Quality analysis; Multi-path effect; Cycle skip ratio; Data utilization ratio
0 引言
在进行GPS外业观测过程中，会受到诸如测站环境多路径误差、接收机老化、测站附近遮挡物的影响，而使得观测数据质量受到一定程度的影响[1] ，影响观测数据质量的主要因素有多路径效应、信噪比、电离层延迟、对流层延迟等等。在高原山区进行水库边坡变形监测时，GPS信号会受到相较于平原地区更多种因素的影响，在实际工作中有时因某个测站的观测数据质量太差而不得不重测，影响工作进度和效率。观测中若能及时进行观测数据的质量检测发现异常情况，则可以采取措施避免因观测数据质量不合格产生的不利影响，提高效率并保证观测成果的可靠性。
1 误差源分析
1.1 电离层延迟分析
电离层是指在60-1000 km高度的大气层。在电磁波的作用下，电离层中的中性气体分子会被部分电离，形成了一个电离区域。由于高原地区复杂的大气，使得GPS信号在传播过程中穿越电离层时，GPS信号传播得速度会发生变化，GPS信号的传播路径也会产生弯曲，GPS信号的传播时间乘以光在真空中的速度获得的距离偏离真值，从而会产生信号的电离层延迟。
2 数据质量指标分析
2.1 数据分析工具
HGO数据处理软件包的主要功能是GNSS静态数据处理和GNSS动态数据处理，此次利用HGO数据处理软件包实现数据格式转换，将中海达观测数据文件的格式转换为RINEX格式。
TEQC（Translation， Editing and Quality Checking）由UNAVCO Facility开发，是用于多种GNSS系统的观测数据预处理软件[5]。TEQC能够进行数据格式转换、数据编辑和数据质量检核等操作[6]。但是由于TEQC无法对数据质量检核的结果进行可视化显示，所以本文通过QCVIEW32和DOSBox 0.74这两款软件，实现了数据分析的结果的成图显示[7]。
2.2 数据质量指标分析
本文主要对IIL2、IIL4、IIL5三个基准点和XJ17、XJ18、XJ20三个观测点近1年的观测数据通过TEQC软件进行数据质量分析，如多路径效应、数据利用率、周跳比等，并进行统计分析。对IIL2、IIL4、IIL5、XJ17、XJ18、XJ20六个测站分别在2017年12月和2018年3月、6月、9月、12月的测量数据进行质量检核后得到数据统计如表1所示。
2.2.1 多路径效应分析
IGS（International GPS Service）的数据质量检核表明，对于多路径来说， 平均值小于0.5的IGS站占比为三分之二， 均值小于0.75的IGS站占比为三分之二[8]。如图1为XJ18在2018年3月分别在L1频率和L2频率上的多路径效应在QCVIEW32上的成果图，可以看出XJ18测站的L1频率的多路径误差在230、820历元处跳变，L2频率的多路径误差在460、830历元处跳变。从表1和图2可以看出，L1频率上的多路径效应均小于0.5m，L2频率上的多路径效应均小于0.75m，符合3/2的IGS站的质量标准;LI、L2频率的多路径效应呈现线性正相关，LI频率的多路径效应增大则L2频率的多路径效应也增大，且L1频率的多路径效应与L2频率的多路径效应相差不大。IIL5和IIL4的多路径效应较大且波动明显，结合理论和实际情况，是IIL5距离江面较近，IIL4附近有树木遮挡的原因引起的。
2.2.2 观测数据与周跳比分析
卫星信号的失锁会使得载波相位观测值中的整周计数产生的突变而产生周跳[9]。如果某颗卫星在单位历元的两个频率上，检测到周跳现象，则说明该历元产生周跳情况。观测数据与周跳比o/slps可以用观测值总数/周跳数表示，o/slps值的参考值为200，观测数据与周跳比值越大，说明出现的周跳现象越少，数据质量越高;也可以用CSR=1000/o/slps表示，CSR不仅反映观测数据的周跳信息，而且也反映接收机周跳修复的能力。IGS的数据质量检测分析显示，超过半数的 IGS 站的CSR平均值小于5，2/3以上的CSR平均值小于10[10]。 从表1和图3可以看出，每个测站的观测数据与周跳比都远大于参考值，说明出现的周跳现象很少，数据质量很高，接收机的周跳修复能力很强。
2.2.3 数据利用率分析
当测站周围环境变化或接收机出现异常时，接收机采集的数据出现较大的误差，或者实际采集的数据量小于理论应该采集的数据量。因此，需要一个数据来评定观测数据的利用效率和测站周围的环境。
从表1和图4可以看出，各测站的数据利用率基本都在80%以上，除XJ17站点在2018年3月和2018年12月的数据利用率在80%以下。
3 结论
本文通过对GNSS观测数据实现质量检核，对观测数据的多路径误差、观测数据与周跳比、数据利用率进行了分析，得出以下结论：
L1和L2频率观测值的多路径误差呈正相关关系;L1、L2频率的多路径效应相差不大;部分观测点因距离水面较近或因树木遮挡会导致多路径效应增大且波动明显。L1、L2频率的多路径误差随着季节更替没有明显的变化规律。观测数据与周跳比都远大于参考值，说明出现的周跳现象很少，数据质量很高，接收机的周跳修复能力很强。各测站的数据利用率基本都在80%以上，说明各测站周围环境变化不大且接收机工作正常。数据利用率和观测值与周跳比随季节变化无明显规律，其数值均在一定的区间内浮动。
參考文献
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