东海区海洋观测站GPS数据质量检核和分析

丁 超，周兴华，王朝阳，周东旭，张化疑，单 瑞

（1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266510；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071）

东海区海洋观测站GPS数据质量检核和分析

丁 超1,2，周兴华1,2，王朝阳1,2，周东旭2，张化疑2，单 瑞3

（1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266510；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071）

利用TEQC软件对中国沿海GNSS业务化观测系统东部海区20个观测站2009-2015年的GPS连续观测数据进行质量检测，分析多路径效应（MP）与周跳比（o/slps）和信噪比（SNR）的相关性。分析结果表明：受接收机性能老化影响，观测数据质量整体呈下降趋势；多路径效应与周跳比和信噪比存在较强的负相关；观测数据质量对解算结果精度有一定影响，剔除多路径效应较大的卫星观测数据可有效提高解算精度。

TEQC；GPS；数据质量分析；多路径效应；信噪比

GPS在观测过程中会受到一些误差源的干扰，导致数据质量较差。数据质量不仅会影响解算精度，而且还可导致基线解算失败，因此，对观测数据质量进行检测是作业中一项不可缺少的环节[1-2]。目前，数据质量分析受到相关学者的密切关注，李军等[3]对东北亚地区52个GPS台站4 a的观测资料进行了质量检测，并对数据质量检测结果进行了统计分析。魏二虎等[4]研究三级GPS大地控制网数据质量的检测方法，并对观测数据进行检测和评定。陈超贤等[5]对福建连续观测台网不同时期建设的基准站数据进行质量检测。郑广伟等[6]提出了采用分级评分的方法对GPS观测数据进行指标评价。刘志敏等[7]选用L1伪距多路径效应、L2伪距多路径效应、L1载波的信噪比、L2载波的信噪比、周跳比5个质量评价指标对CORS站点数据进行质量检核，并用Bernese软件验证指标对观测数据质量评估的正确性。

在高精度GPS测量中，多路径误差成为一个必须考虑的误差源[8]。中国沿海GNSS业务化观测系统自2009年建成至今已连续运行7 a，观测站数据的多路径效应呈逐年递增的趋势。为了解GPS观测站观测环境好坏、接收机老化对解算结果的影响，本文对东海区20个观测站近7 a的GPS连续观测数据进行数据质量检测，分析多路径相关指标和数据质量对解算结果的影响，为设备维护、数据后处理提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

自2009年始，国家海洋局在沿海56个海洋观测站陆续增设GNSS观测设施（GNSS接收机类型TOPCON TPS NET-G3，天线类型TPS CR.G3），建立了中国沿海GNSS业务化观测系统[9]。本文收集了该系统东海区20个观测站2009—2015年的连续观测数据。台站分布见图1。

1.2 数据质量评价指标

目前，GPS观测站数据的质量检测普遍采用由UNAVCO(university NAVSTAR consortum)开发研制的TEQC软件包。TEQC是一个操作简单但功能强大的GPS数据预处理软件，主要包含数据格式转换、数据编辑以及数据质量检测3个功能[10]。本文从数据可用率（DAR）、L1波段上的多路径效应（MP1）、L2波段上的多路径效应（MP2）、观测值与周跳比（o/ slps）、信噪比（SNR）5个指标评价GPS观测站的数据质量。其中，DAR反映接收机接收信号的稳定性，MP1、MP2反映L1和L2载波上的伪距和相位综合多路径影响，o/slps反映观测数据周跳情况，信噪比是指接收的载波信号强度与噪声强度的比值(dB/ Hz)，可以用来衡量测距信号质量的优劣[11]。各指标计算公式如下：

图1 东海区GPS海洋观测站分布

式中：N1表示观测时间内有效数据的历元个数；N表示观测时间内观测数据总历元数。

式中：P1，P2分别为L1，L2载波上测得的伪距观测值；φ1，φ2分别为L1，L2载波上的相位观测值；a为L1，L2波段的频率f1和f2之比的平方。

式中：C表示接收的载波信号强度；N0表示噪声强度。

2 检测结果分析

2.1 数据质量分析

利用TEQC软件对东海区2009-2015年20个观测站每天的观测数据进行质量检测，统计检测结果。由于篇幅所限，表1列出统计的部分台站近7 a DAR，o/slps，MP1，MP2的年平均值。

从表1可见，东海区大部分观测站数据质量比较稳定，DAR年均值除朱家尖在82%左右，其余各站均在85%以上，且各站多年DAR年均值变化不大，接收机信号比较稳定，满足《CH/T 2011-2012全球导航卫星系统连续运行基准站网运行维护技术规范》和《中国地壳运动观测技术规范》规范要求。但随观测时间增加，观测站o/slps值呈现不同程度的下降，MP1、MP2年均值呈现逐年增加趋势，表明多路径效应发生明显、观测数据质量变差。为更清晰地显示东海区2009-2015年期间的数据质量变化情况，以平潭站为例，图2给出了该站年均DAR，o/slps，MP1，MP2统计结果。

图2 平潭站2009-2015年数据质量统计

从图2可见，平潭站2009-20015年的数据完整性在80%附近，MP1年均值小于MP2年均值，MP1、MP2整体呈现逐年上升的现象，个别年份受太阳磁暴等影响MP值偏大。周跳比年均值呈现逐年下降趋势，与MP1、MP2存在较强的相关性。

为了解周跳比逐年下降、多路径逐年上升的原因，对比分析了平潭站、崇武站更换接收机前后的各项数据质量检测指标。平潭站于2015年12月29日更换接收机，崇武站于2015年12月10日更换接收机，接收机类型均为TOPCON TPS NET-G5，未更换接收机天线和电缆。对比分析2015年1月和2016年1月两个观测站逐天的MP1、MP2、o/slps时间序列，统计结果如图3～图4所示。

从图3、图4可见，平潭、崇武站2015年1月观测数据的MP1均值分别为0.94 m，0.45 m，MP2均值为1.57 m，0.65 m，MP值跳动较大，MP1最大值分别达到16.89 m，0.71 m，MP2最大值达到26.32 m，

0.97 m，表明更换接收机前多路径效应明显；更换接收机后MP1分别维持在0.40 m，0.37 m左右，MP2在0.50 m，0.40 m左右，数据观测质量明显提升，且没有大的波动。对比分析平潭、崇武站更换接收机前后相同月份的数据，消除了测站周边环境和季节等因素造成的影响。通过对更换接收机前的观测数据质量分析结果可得出：接收机性能老化是造成周跳比逐年下降、多路径逐年上升的主要原因。不同区域接收机老化程度不同，其原因有待进一步分析。

表1 东海区部分海洋站数据质量统计（DAR单位：%，MP1、MP2单位：m）

图3 平潭站更换接收机前后MP1，MP2，o/slps时间序列

图4 崇武站更换接收机前后MP1，MP2，o/slps时间序列

2.2 检测指标相关性分析

通过对东海区各观测站多年的观测数据进行质量检测发现，观测数据的多路径效应与周跳比和信噪比存在相关性。针对该现象，本文分别对多路径效应与周跳比和信噪比的相关性进行了分析。

为此求取了多路径和周跳比的相关系数。相关性系数的计算方法是将东海区20个GPS观测站每个站近7 a的MP2值、o/slps值作为一对相关性时间序列。计算并统计了MP2和o/slps的相关性系数,如表2所示。

表2 东海区GPS观测站MP2和o/slps相关系数

表2统计结果显示，东海区20个GPS观测站MP2和o/slps相关性系数有15个达到-0.80以上，最小值为连云港站-0.97，最大值为厦门站-0.38，均值为-0.82，属于高度负相关。

利用平潭站2016年第3天的观测数据分析了信噪比与多路径效应的相关性，图5～图6分别给出了平潭站2016年第3天PRN 32卫星多路径、信噪比随时间变化图。

图5 PRN 32卫星MP2随时间变化图

图6 PRN 32卫星SN2随时间变化图

从图5和图6可见，PRN 32的MP2值在接收卫星数据的起止时段较大且变化剧烈，对应相同历元SN2值较低；在MP2值最小处对应SN2峰值。两者呈现较强的相关性。为明确MP2、SN2随卫星高度截止角的变化情况，图7给出了MP2、SN2随卫星高度角变化的大小。

图7 MP2,SN2大小随卫星高度角变化图

从图7可见，随着高度角的增加，MP2值逐渐下降，SN2值逐渐上升，低于30°时变化明显。MP2值在小于30°的高度角时较大，SN2值在小于30°的高度角时较低，MP2值最小值对应的高度角正是SN2值的最大值，两者呈现较强的负相关。即当发生多路径时，SNR随卫星信号的质量的降低而降低。

综上所述，多路径效应作为数据处理中的一个重要误差源，与周跳比和信噪比相关性较强，数据处理时可从相关性方面对多路径进行改正以提高数据解算精度。

3 数据处理结果分析

为分析数据质量对解算结果精度的影响，采用Bernese软件联合观测网周边的WUHN、SHAO、TNML、DAEJ IGS站对东海区观测站数据进行数据处理，制定3种方案进行数据解算分析研究：第一种方案选用2015年1月各观测站数据进行数据处理；第二种方案利用2016年1月观测站数据进行数据处理，平潭站观测数据为更换接收机后的数据；第三种方案是除平潭站外的观测站仍然选用2015年1月的原始数据，平潭站选用剔除MP值大于2.0 m的卫星观测数据。利用上述3种方案对观测数据进行处理后，分别计算并统计了平潭站在3种方案下解算结果在X，Y，Z方向坐标与坐标均值的偏差，结果如图8所示。为了更清楚地显示平潭站在3种方案下的解算结果精度，对X，Y，Z方向坐标与坐标均值偏差图进行统计，结果如表3所示。

图8 3种方案X，Y，Z方向坐标与坐标均值偏差图

表3 3种方案X，Y，Z方向坐标与坐标均值偏差统计

从图8和表3可见，方案一的数据处理结果坐标分量各个统计值均大于方案二、三结果，表明观测数据质量影响数据解算质量；方案一的2015年1月原始数据MP值的最大值与数据解算坐标残差序列的峰值相对应，表明在数据质量偏离阈值较大时对解算结果有明显影响；方案三中剔除MP值较大的卫星观测数据后坐标精度明显提升，说明虽然Bernese软件能较好地探测和修复GPS周跳，但在卫星观测数据MP值较大的情况下，需对观测数据质量进行控制以提高解算结果精度。

4 结论

本文对中国沿海GNSS业务化观测系统东部海区20个GPS观测站2009-2015年的连续观测数据进行质量分析，探究观测数据的多路径效应(MP)与周跳比(o/slps)、信噪比(SNR)的相关性，在此基础上分析观测数据质量对解算结果精度的影响。结果表明：受接收机性能老化影响，观测数据质量整体呈下降趋势，造成个别台站的数据质量不符合相关规范要求；MP与o/slps和SNR存在较强的负相关：MP、o/slps的相关系数为-0.82，MP、SNR值随卫星高度角增加呈不同的变化趋势；通常情况下观测数据质量对解算结果精度的影响不大，对于观测数据质量较差的数据可采用剔星方法来提高解算结果精度。

[1]许其凤.空间大地测量学[M].北京:解放军出版社,2001.

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[3]李军，王继业，熊熊，等.东北亚地区GPS观测数据质量检测和分析[J].武汉大学学报,2006,31(3):209-212.

[4]魏二虎，王中平，龚真春，等.TEQC软件用于GPS观测网数据质量检测的研究[J].测绘通报,2008,2008(9):6-9.

[5]陈超贤，陈光，王青平，等.福建GPS连续观测台网数据质量检测和分析[J].大地测量与地球动力学,2014,34(4):17-20.

[6]郑广伟，徐思达，贾国宪，等.GPS观测数据质量评价指标分析[J].海洋测绘,2012,32(3):37-40.

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Quality Checking and Analysis on GPS Data in the East China Sea Observing Station

DING Chao1,2,ZHOU Xing-hua1,2,WANG Zhao-yang1,2,ZHOU Dong-xu2,ZHANG Hua-yi2,SHAN Rui3
1.Geomatic College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,Shandong Province,China; 2.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,Shandong Province,China; 3.Qingdao Institute of Marine Geology,China Geological Survey,Qingdao 266071,Shandong Province,China

In this paper,the quality of GPS continuous observation data from the Chinese coastal GNSS operational observing system during the years 2009-2015 is checked with the TEQC software,and the analysis on the correlation is conducted between muti-path (MP)and cycle slip (o/slps)and signal to noise ratio(SNR) Correlation.The results show that,influenced by the aging effects of receiver performance,the overall quality of observational data shows a downward trend.A strong negative correlation exists between MP and o/slps and SNR, and the quality of observation data will pose effects on the accuracy of calculation results.The precision of the solutionin can be effectively enhanced through eliminating the satellite data with larger multipath effects.

TEQC;GPS;data quality analysis;multi path effect;SNR

P228

A

1003-2029（2017）02-0089-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.015

2016-08-04

国家国际科技合作专项资助项目——自主星载高度计海面测高在轨绝对定标关键技术研究(2014DFA21710)；国家海洋局GNSS业务运行项目资助；国家自然科学基金资助项目（41406115）；青岛市市南区科技发展资金资助项目（2016-3-015-ZH）

丁超（1990-），男，硕士研究生，主要从事GNSS数据质量分析研究。E-mail：dingchao0206@126.com