跨区域CORS系统基准站选址测试数据处理与分析研究

李江卫，汪培，李甜

(武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

跨区域CORS系统基准站选址测试数据处理与分析研究

李江卫∗，汪培，李甜

(武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

讨论了跨区域CORS系统建设过程中基准站站址测试数据处理的流程与方法，提出了从观测数据完好性、数据质量、单点定位结果以及基线解算等四个方面对CORS系统基准站选址进行分析与评价，并结合武汉城市圈CORS系统建设的实例进行分析。通过实测数据的处理，表明本文提出的CORS系统站址测试数据处理方法能够较客观地反映基准站的观测环境和外界干扰情况，对保障CORS系统的连续正常运行具有积极意义。

数据完好性；多路径效应；信噪比；单点定位；基线重复性

1 概 述

CORS系统的建立包括基准站站址选择、观测墩设计与建造、网络布设等工作，在基准站点位观测条件良好的情况下，无需对观测数据进行质量分析，CORS系统往往也运行得非常有效，即使是某一基准站的观测质量或者是某一时段数据质量的不稳定，系统核心软件GPSNET可自动剔除和修复一些观测数据中的粗差或周跳，因此对系统的正常运行没有明显的影响。

但跨区域CORS系统建设中，一般相邻基准站基线较长，为了确保GPS解算质量以及大区域CORS系统的运行，特别是在拟选基准站站址环境不是较理想，如可能存在的外界电磁干扰、点位视场受限等情况下，在建站之初，通过一定时间的连续观测，并对观测数据进行必要的质量分析，从而更清楚地了解拟建站点周边环境是否存在对基准站的干扰、是否有引起多路径效应的反射物以及电离层对流层的影响情况，对确保系统建设质量具有重要意义。

本文结合武汉城市圈CORS系统建设的实例，从观测数据完好性、数据质量、单点定位结果以及基线解算重复性等四个方面对CORS系统基准站选址数据处理与分析进行研究。

2 观测数据完好性

对于CORS系统来说，基准站原始观测数据直接影响网络基线模糊度固定的时间和效率、空间相关误差建模的精确性、系统可用性以及用户初始化时间等。基准站原始观测数据完好性包括三个方面:一是数据缺失，即某一历元接收机所有类型的观测值未完整记录；二是历元缺失，即某一历元某可见卫星的观测数据未记录；三是卫星星历信息的完整性和可用性。基准站观测数据完好性分析可从完好观测值比例和无效观测值两方面进行分析。

(1)基准站完好观测值比例。完好性观测值比例＝完好观测值总数/预计的观测总数，该数值可反应基准站站址附近的遮挡、多路径、无线电干扰等综合影响，同时也可决定天线墩的架设高度。对于CORS系统而言，一般要求该数值不应低于90%。

(2)无效观测值分析。无效观测值包括以下四类:无L1、无L2，无P1、无P2，一般而言，如果发射卫星信号遮挡，则会丢失全部信号，如果发生有L1但无L2或有P1但无P2的情况，则表明L2频带上存在较强干扰，不利于作为基准站连续观测。无效数据与完好观测值个数之比应小于5%。

武汉城市圈CORS系统鄂州、仙桃、潜江、天门四市基准站建设中，分别进行了连续24 h的数据测试，数据采样率为1 s、截止高度角10°，表1为4个基准站测试观测数据完好性统计表。

由表1数据表明:4个基准站站址测试数据良好，截止高度角10°以上完好观测值比例均在95%以上，满足CORS建设对数据完好性的要求。在建设实施过程中，观测墩高度一般在2 m左右，可减少GPS观测数据受站址视场、多路径等的影响，从而进一步提高观测数据的完好性和数据质量。

基准站观测数据完好性统计表 表1

3 数据质量分析

CORS系统基准站站址附近若存在较强的外界电磁干扰，将会对观测数据质量造成较大影响，从而影响CORS系统的连续运行和精度定位，因此有必要对观测数据的质量进行分析。

3.1 多路径效应影响分析

在实际运行过程中，基准站接收机天线除接收直接来自卫星的信号外，还接收到周围物体反射回来的信号。直射信号和反射信号通过不同路径到达同一固定的接收天线，虽在发射时刻上有共同的时间起点，但到达时刻不同，并兼而存在相对相位偏移，信号的幅度也发生了相对变化，这便造成了接收信号相对发射信号的结构畸变，从而影响码和相位的量测，形成了多路径效应。多路径效应严重时将引起载波相位观测值的频繁周跳甚至信号失锁，其对载波相位的最大影响可达其波长的1/4周，而对伪距的影响远大于载波，其误差可达几米到几十米，严重影响CORS系统的连续运行和实时定位精度。

其中多路径效应可用式(1)和式(2)的组合量来检核其影响:

式中，P1、P2为双频伪距观测值；L1、L2为双频载波相位观测值；M1、M2为双频伪距的多路径效应；m1、m2为双频载波相位观测值的多路径效应；n1、n2为相位整周模糊度；f1、f2、λ1、λ2分别为载波频率和波长。若无周跳发生，则B1、B2为常量，而m1、m2远小于M1、M2，因此，MP1、MP2主要是伪距的多路径效应的影响，可用来衡量多路径效应的影响程度。

测试数据处理后的MP1和MP2值反映了在L1和L2频率上的多路径效应的影响，当MP1和MP2分别大于0.4 m和0.6 m时，则该地点不适宜作为基准站点。

3.2 信噪比强度分析

GPS信号功率比较客观地反映了卫星在轨状态、测站环境等因素，是衡量观测值质量的指标之一。信噪比(SNR)指载波信号强度与噪声强度的比值，单位为分贝－赫兹(dB－HZ)。目前绝大多数接收机采用信噪比(SNR)或载波与噪声的功率密度比(c/n0，信噪比强度)来表征GPS信号功率，即在GPS接收机锁相环1 Hz带宽上，载波信号与观测噪声的功率之比。信噪比强度可用下式表示:

信噪比强度反应了接收到的卫星信号与噪声的相关关系，当噪声较大、特别是存在可能的外界电磁干扰情况下将严重影响GPS信号质量。对CORS系统来说，一般要求c/n0平均值应在15以下。

本文选取2010年4月10日的观测数据进行了多路径效应和信噪比强度分析。限于篇幅所限，仅仅列出潜江基准站的观测数据分析结果。

CORS系统要求基准站接收到的卫星数在6颗以上，图1、图2表明潜江基准站24 h内任意时刻跟踪并记录的卫星数至少为7颗；多路径影响与周边环境、天线架设高度等有关。潜江基准站24 h的MP1、MP2平均值分别为0.226 040 m和0.287 824 m，图3也表明潜江基准站1 h内的L1多路径效应误差平均值在0.4 m以下；图4表明潜江基准站1 h的电离层延迟变化率平稳，上下波动较小；图5表明1 h内潜江基准站L1、L2的信噪比强度均在15以下。

通过上述分析，表明潜江基准站数据质量稳定，满足CORS系统构网和连续运行的要求。

图1 潜江站24 h卫星天空视图

图2 潜江站24 h卫星高度角变化图

图3 潜江站1 h L1多路径效应图

图4 12号卫星1 h电离层延迟变化

图5 12号卫星1 h L1、L2信噪比

4 单点定位分析

由于伪距受多路径效应和电磁干扰的影响较载波相位大，因此伪距定位结果可以比较直接地反应接收到的GPS信号质量情况。目前，在使用广播星历情况下，伪距单点定位的精度一般在10 m左右。为进一步分析基准站观测数据质量，可对其伪距实时单点定位结果进行处理。即卫星钟差利用广播星历改正、对流层延迟和电离层延迟利用模型改正、接收机钟差和测站坐标作为参数，利用最小二乘法进行单历元伪距单点定位。采用的单点定位数学模型为式(4)。

dtR为接收机钟差(为待估参数)。

dtS为卫星钟差；

(Vion)i、(Vtrop)i分别为电离层延迟对流层延迟。

将观测期间伪距单点定位解的平均值作为最或然值，据此可得到每一历元伪距观测值的残差V，可按照式(2)计算残差中误差m。式(5)中:n为伪距观测值的个数。

图6为潜江基准站1 h测试数据所得到的伪距单点定位平均值与历元解的差值的时间变化曲线。图中X方向的坐标差值在－4 m～－7 m之间；Y方向的坐标差值基本在2 m～8 m；Z方向的坐标差值在1 m～6 m之间，其解算结果与广播星历的定位精度相当。

图6 潜江基准站伪距单点定位坐标差

图7 潜江基准站伪距单点定位的残差中误差

图7为逐历元伪距单点定位解与1 h伪距单点定位平均值的残差中误差变化曲线，其值介入3.5 m～5.5 m之间。图8表明潜江基准站测试数据采用广播星历的伪距单点定位结果稳定，只是在前200历元变化相对较大，可能是由于本次测试所采用的5700接收机钟差较大、钟漂不稳定所引起，另外也有可能是站址电磁干扰导致。但总体而言，测试数据伪距单点定位精度满足要求。

5 基线解算

在CORS系统基准站站址测试数据处理中，需对基准站多时段的观测数据进行基线解算，通过与已建基准站进行基线解算可进一步分析站址测试数据的载波相位信号质量。基线解算可分别采用精密星历和高精度处理软件(如GAMIT)以及广播星历和商业软件(如TGO)进行。

各时段基线向量的重复性反映了基线解的内部精度，是衡量基线解质量的一个重要指标。其定义为:

式中:Ci是各时段解基线的各分量，是相应分量的协方差，为相应基线分量的加权平均值，R为基线的重复性。

整网的重复精度可用固定误差和比例误差两部分表示，即:

式中:σ为基线重复性精度指标；a为基线解的固定误差；b为基线解的比例误差；l为基线长度。整网的重复精度可由各基线的固定误差与比例误差线性拟合得到。

本文选取武汉城市圈CORS系统10个基准站2天的观测数据，数据采样率为30 s。采用GAMIT10.32进行解算，分时段分别进行，得到基线单天解。为提高基线解算精度，在基线解算中对以下4个方面进行了重点考虑:①在基线处理时，加入WUHN、SHAO、BJFS共3个IGS站进行联合解算；②对流层折射根据标准大气参数用Saastamoinen模型改正:采用分段线形的方法估算折射量偏差参数，每2 h估计参数，考虑到大气水平向的各向异性，每24 h估计一次东西、南北向的梯度；③电离层折射影响:采用LC _HELP观测值消除；④设置初始坐标及约束。联测的IGS站坐标采用SOPAC提供的ITRF2005框架、瞬时历元坐标，并分别设置N、E、H方向0.05 m、0.05 m和 0.1 m的松弛约束，武汉城市圈CORS系统基准站点的初始坐标为RINEX坐标，N、E、H方向分别给以10.0 m、10.0 m和20.0 m的松弛约束。处理后，基线的整体重复性精度统计如表2所示。

基线向量重复性统计表 表2

从表2可以看出，基线分量重复性都很高。整体重复性在南北方向上为0.6 mm＋0.2×10－8l，在东西方向上为1.0 mm＋0.1×10－8l；垂直方向为6.2 mm＋0.1×10－8l；基线长度方向为1.0 mm＋0.1×10－8l，达到了《全球定位定位系统(GPS)测量规范》关于B级GPS网的精度要求。

在CORS系统运行期间，一般采用广播星历进行数据处理。因此本文选取潜江基准站4 h的观测数据，采用广播星历与武汉城市圈CORS系统蔡甸、黄陂、新洲、汉南、东湖、勘测、鄂州7个基准站选用TGO软件进行了基线处理。基线解算采用Iono_Free组合观测值，基线报告如表3所示。

基准站广播星历基线处理报告 表3

计算结果表明:潜江站址测试数据与武汉城市圈CORS系统期其他基准站的同步观测数据，采用广播星历均可得到基线固定解，其中最长基线为191.0 km (潜江－鄂州)、最短基线为111.1 km(潜江－蔡甸)，所有基线解算的相关技术指标如RATIO均大于3、RDOP均小于5、RMS均小于0.02 m，满足规范关于C级网基线精度的相关要求。

在武汉城市圈CORS系统建设中，先期完成了武汉市内蔡甸、黄陂、新洲、汉南、东湖、勘测6个基准站，鄂州、仙桃、潜江、天门基准站则根据各地实际需求分期实施完成。后续建设的4个基准站与已建基准站的距离相对较远，相邻基准站之间最长基线达到了118 km(天门－黄陂)，且为维护方便和安全管理的需要，基准站初选一般位于建筑物楼顶，其中潜江、鄂州基准站均存在一定程度的周边高层建筑遮挡，因此采用常规方法进行基准站站址测试的分析与评价，可能不能客观、真实地反映基准站观测环境，从而影响CORS系统的连续正常运行。在实际实施过程中，武汉市外4个基准站均按本文所述的方法和流程进行了基准站测试数据处理与分析，处理结果在满足相关规范的要求下，才确认建立基准站。从建成后的效果看，各基准站运行稳定，全天模糊度固定公共卫星均在6颗以上，系统可用性均在95%以上，可为用户提供实时、可靠、连续的高精度定位服务。图8为武汉城市圈CORS系统构网图。

图8 武汉城市圈CORS系统构网图

6 结 语

复杂情况下基准站站址的合理选取是保障跨区域CORS系统建成后连续、稳定运行的关键之一。本文提出了从基准站观测数据完好性、数据质量、单点定位结果以及基线解算等四个方面对基准站测试数据进行分析，通过武汉城市圈CORS系统的建设实践，表明了该方法的客观性和科学性，对保障跨区域CORS系统的连续正常运行具有积极意义。

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Research on Processing and Analysis of Reference Stations Testting Data During Cross－regional CORS Setting up

Li JiangWei，Wan Pei，Li Tian
(Wuhan Geotechnical Engineering And Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

This paper discusses the processing of reference stations testing data during setting up CORS，.and indicates from four ways to analyse and appraise the data quality of reference stations，which are data integrality，the analysis of multipath，the results of single point positioning and baselines computing.Results of Wuhan metropolis continuously operating reference station show that the methods can factually reflect the observing circumstance and the outside influence.of reference stations.

Data Integrality；Multipath；SNR；Single Point Positioning；Repeatability of Baseline

1672－8262(2010)03－59－06

P228.43

A

2010—12—04

李江卫(1976—)，男，博士，主要从事GPS数据处理及CORS系统应用研究。

精密工程与工业测量国家测绘局重点实验室开放基金(PF2009－9)资助，武汉市科技推广计划(No.200930939389)。