GPS接收机仪器偏差的长期变化特性分析*

周东旭 袁运斌 李子申 刘西凤

(1)中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量学重点实验室，武汉 430077 2)中国科学院研究生院，北京100049)

GPS接收机仪器偏差的长期变化特性分析*

周东旭1，2)袁运斌1)李子申1，2)刘西凤1)

(1)中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量学重点实验室，武汉 430077 2)中国科学院研究生院，北京100049)

基于欧洲定轨中心2001—2009年发布的部分IGS测站接收机仪器偏差估值，分析了不同类型接收机DCB的长期变化特性。结果表明：各类接收机DCB的长期时变特征均具备一定的周期性，其中以月和年周期最为明显;接收机DCB的长期变化中还存在一定的波动，部分接收机DCB的稳定性随时间积累逐渐变差，甚至存在偏移。

接收机仪器偏差;长期变化;全球导航卫星系统;欧洲定轨中心;周期性

1 引言

GPS观测量中的仪器偏差(DCB)，是GPS卫星和用户接收机的硬件对信号产生延迟影响的统称［1］。它是利用GPS观测数据解算电离层总电子含量的重要误差源，同时反映GPS接收机的硬件性能。分析接收机DCB随时间的变化特性，有助于进一步掌握接收机的工作状态，以及TEC的精确确定及预报。国内外学者基于GPS实测数据，采用不同方法对DCB进行了探讨［2-13］，其中，欧洲定轨中心CODE(Center for Orbit Determination in Europe)基于P1、P2码观测量对全球IGS基准站的接收机DCB进行了多年的研究和计算，其发布的接收机DCB估值具有较高的精度和可靠性，得到广泛的认可和应用。但目前的研究大多集中于站星组合或卫星DCB估计算法，鲜有专门针对接收机DCB变化特性的深入分析。

本文基于全球IGS基准站2001—2009年的CODE接收机DCB估值，探讨了接收机DCB的长期变化特性，同时结合谱分析和滤波方法，研究了接收机DCB长期变化的周期性特征。

2 GPS接收机DCB长期变化特性分析

首先从CODE在2001—2009年期间发布的各IGS测站接收机DCB估值中，选取了不同区域IGS站的接收机DCB估值，以及同一区域内部分IGS站的接收机DCB估值，探讨接收机DCB连续9年的长期变化特性;然后采用谱分析和滤波方法，具体分析和掌握接收机DCB的周期变化特征。

2.1 接收机DCB长期变化分析

图1(图中圆圈表示该时段有接收机设备的更换，虚线方框标注部分为DCB存在偏移的时段)显示了全球不同区域内8个IGS站9年的接收机DCB估值时间序列(IGS站具体信息见表1，其中时间序列空白部分为数据缺失)，其他IGS站的接收机DCB估值时间序列与之类似。为便于分析，X轴以年序号标注。从图1和表1可以看到，如不考虑接收机硬件设备更换引起的数据跳变，各站的接收机DCB估值时间序列除2001—2003年的波动幅度相对较大外，其他时段整体变化比较稳定，平均波动幅度最大为1.88 ns。不同类型接收机的DCB估值和波动幅度存在差异，平均波动幅度的差异可达1 ns，具有同一类型接收机的KUNM、GUAM两站，其DCB均值与标准差也存在差异，其中平均波动幅度差异为0.3 ns;除NLIB站由于接收机硬件设备的更换造成时间序列中断，难以辨析周期变化外，其他站都呈现出近似年变化周期，但各站的周期变化趋势和变化幅度存在差异。

KERG站在2004—2009年的平均波动幅度为1.77 ns，在没有更换接收机硬件设备情况下(最近一次更换接收机硬件设备的时间为2004年1月13日)，该站的接收机DCB估值时间序列在2007—2009年出现了较大的波动和明显的偏移现象，偏移量达到2.79 ns。NLIB站在接收机硬件设备更换前的2004年也出现明显偏移现象，偏移量为2.13 ns。可见，随着工作时间的积累，GPS接收机硬件设备的老化，一些GPS接收机的DCB稳定性会变差，甚至出现偏移现象。此外，MADR站由于接收机内部硬件的更换，其时间序列在2003年也发生跳变。

图1 不同地区GPS接收机DCB估值时间序列(2001—2009年)Fig.1 Time series of estimated value of receivers’DCB in different region(2001-2009)

表1 IGS站信息表Tab.1 Information of IGS stations

图2为中国区域内KUNM、BJFS、WUHN、TWTF 4站2001—2009年的接收机DCB估值时间序列(测站信息见表2)。图2显示，各站的接收机DCB估值除2001—2003年的波动偏大外，其他时段整体变化平稳，不同站的DCB估值和波动幅度存在差异，其中平均波动幅度差异最大为 1.04 ns;除TWTF站外，其余3站都有近似的年周期变化特征，并且KUNM、BJFS两站时间序列的周期变化趋势相反。

由图1～2和表1～2的分析结果可知，接收机DCB在长期变化过程中整体相对稳定，但具有一定的波动和周期性，不同IGS站之间，GPS接收机DCB的波动和变化周期存在差异，并且在部分时段，个别接收机的DCB稳定性随时间积累变差，甚至出现偏移现象。

表2 KUNM、BJFS、WUHN、TWTF站信息Tab.2 Information of IGS stations(KUNM，BJFS，WUHN，TWTF)in the same region(China)

图2 不同类型接收机DCB估值时间序列(2001—2009年)Fig.2 Time series of receivers’DCB of different type(2001-2009)

2.2 接收机DCB的周期特征分析

图3显示了KUNM站GPS接收机DCB估值的谱分析结果。其中，接收机DCB具有明显的年变化周期，同时具有一定的月、季节、半年等变化周期。

图3 KUNM站接收机仪器偏差估值谱分析结果(2001—2008年)Fig.3 Results of receiver’s DCB with spectrum analysis (2001-2008)

图4为KUNM站接收机DCB估值的各主要变化周期的滤波结果，其他IGS基准站的结果与之类似，在此不一一列举。由图4可见，月周期与年周期整体变化显著，振幅较大，季节与半年周期项振幅相对较小;其中月周期和季节周期项振幅随时间变化较剧烈，半年与年周期项振幅变化相对平缓。

为进一步分析接收机DCB估值的月、季节、半年、年等变化周期的大小与变化情况，选取KUNM等IGS站的接收机DCB各变化周期9年的最大振幅和平均振幅作为统计指标(表3)进行分析。由表3可见，月周期变化中，各IGS站的最大振幅均大于1.1 ns，而平均振幅最大为0.69 ns，二者的平均差异达到1.66 ns，表明月周期变化随时间变化比较剧烈;季节周期和半年周期变化的最大振幅、平均振幅以及二者的平均差异都相对较小，即季节周期和半年周期变化在GPS接收机DCB长期变化中不显著;年周期变化中，各站的最大振幅和平均振幅相对其他周期变化整体偏大，平均振幅的均值为0.86 ns，最大振幅和平均振幅的平均差异为0.45 ns，表明年周期变化在GPS接收机DCB周期变化中最为显著，并且随时间变化相对平缓。

3 结论

1)GPS接收机DCB的变化具有一定的周期性，主要包括月、季节、半年、年等变化周期，其中月周期变化随时间变化剧烈，年周期变化在整体变化过程中最为明显，平均振幅可达ns级。并且不同类型GPS接收机DCB的周期变化特性存在差异。

2)GPS接收机DCB变化整体呈比较稳定的特性，但也存在一定的波动，并且一些接收机DCB的稳定性随着工作时间的积累会逐渐变差，甚至产生偏移现象。

图4 KUNM站接收机DCB估值滤波结果(2001—2008年)Fig.4 Filtered results of receiver’s DCB(2001-2008)

表3 周期变化统计表(单位：ns)Tab.3 Statistics of periodic change terms(unit：ns)

3)目前，常借助电离层模型进行接收机DCB的精确确定，但这是一种后处理方法，并且当观测数据量不足时，接收机DCB的解算精度会严重降低，此时，利用GPS接收机DCB长期变化特征监测得到的预报值进行实时导航、定位、TEC的提取具有重要意义，并且有助于掌握接收机的工作状态。

由于CODE接收机DCB估值是与电离层TEC值同时确定的，本文所分析的周期变化特征是否受电离层变化周期的影响有待进一步分析。

致谢 感谢张宝成、苏晓庆博士研究生的帮助，感谢CODE提供仪器偏差值。

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ANALYSIS OF LONG-TERM VARIATIONS OF GPS RECEIVERS’DIFFERENTIAL CODE BIAS

Zhou Dongxu1，2)，Yuan Yunbin1)，Li Zishen1，2)and Liu Xifeng1)

(1)Institute of Geodesy and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Key Laboratory of Dynamic Geodesy，Wuhan 430077 2)Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049)

The long-term variations of a variety of GPS receivers’DCB were analyzed based on the DCB published by the Center for Orbit Determination in Europe during 2001—2009.The results show that there are periodic behaviors in the time-series of the change receivers’DCB，among then the monthly and yearly periods are the most predominant.In addition，certain fluctuations underlying the long-term behaviors in GPS receivers’DCB can also be found，and some of the GPS receivers may suffer the deterioration of DCB stability，or even somewhat deviation.

DCB(Differential Code Bias);long-term variations;GPS;CODE(Center for Orbit Determination in Europe);periodicity

周东旭，男，1982年生，硕士研究生，主要研究方向为基于GNSS的电离层研究.E-mail：zhoudongxu12@163.com

1671-5942(2011)05-0114-05

2011-03-10

国家自然科学基金(40890160，41021003，40625013);中国科学院研究生科技创新实践项目(Y005381038);导航年会青优资助课题(CSNC2010-QY-013);国家863计划项目(2008AA12Z303)

P227;P207

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