不同观测时段GPS 制网数据质量分析*

杨 乐

（山东省地震局，山东 济南 250014）

随着CORS 网络覆盖的不断扩大，GPS 大地控制网被广泛应用于工程建设，并替代了传统全站仪平面控制网[1]。由于外业工作条件艰苦和观测干扰因素较多等影响，外业数据采集时长普遍采用规范要求观测时长。因此，GPS 外业观测质量十分重要。

文章结合CORS网络数据，利用实测GPS大地控制网，分析了GPS 观测时段选取对大地控制网结果的影响。通过TEQC 数据质量分析软件，检核了不同时间段的数据完整性、多路径误差影响等，并利用GAMIT/GLOBK 数据处理软件解算分析，通过对比解算结果与降雨量情况，分析了不同天气、不同时间外业观测对数据质量的影响。

1 与GPS 外业观测有关的误差源

GPS 观测数据误差来源主要分为三类：与卫星相关的误差、与信号传播相关的误差和与接收机相关的误差。与卫星相关的误差主要有卫星钟钟差、卫星轨道误差、相对论效应、卫星天线相位中心误差等；与接收机有关的误差主要有接收机钟差、地球固体潮改正、海洋潮汐改正、地球旋转改正、接收机相位中心改正等；与信号传播相关的误差主要有电离层误差、对流层误差、多路径效应等。GPS 控制网外业观测时段主要影响信号传播相关的误差。

1.1 电离层误差

受太阳紫外线、高能粒子、X 射线、太阳磁暴等影响，大气层会出现部分电离或完全电离（该现象主要发生在地球表面60km 以上大气层）。受电离层影响，GPS 载波相位速度超前，形成载波相位电离层误差[2]。电离层误差一般采用差分或模型改正的方法减弱。

1.2 对流层误差

由于地面辐射热能影响，地球表面60km 以下大气层温度随高度升高而降低，存在复杂的大气运动，GPS载波相位在通过对流层时，测量距离会产生偏差。对流层延迟分为干延迟和湿延迟，对流层误差一般采用差分或模型改正的方法减弱。当干湿延迟改正偏离真实值时，残留对流层误差增大。

1.3 多路径效应

受观测环境影响，GPS 接收机接收到的周围物体表面反射后的信号与卫星传播的信号叠加，使GPS 测量值出现系统误差，称为多路径效应。多路径效应主要受观测周边物体、环境影响[3]。多路径效应一般采用接收机加装抑径板或扼流圈减弱。

2 不同观测时段的观测质量

GPS 数据观测质量分析通常采用UNAVCO 开发研制的TEQC 软件[4]。该软件利用GPS 接收机测量的伪距观测值和载波相位观测值组合估计数据中的误差大小，能够快速、准确地评定GPS 数据质量。文章采用山东省CORS 网络数据为365d 不间断观测数据，将该数据切割为每个观测文件观测时长2h，每天产生12 个文件，利用TEQC 软件对2h 时长GPS 数据进行质量分析，分别求取各个数据文件的多路径效应mp1 和mp1、数据周跳比o/slps，结果如图1 所示。

图1 CASH 站点2015 年全年2h 间隔数据质量分析

从图1 可以看出，CASH 站数据受季节影响变化较小，L1 载波相位和L2 载波相位多路径效应、周跳比随季节变化较小。当GPS 站点周边遮挡较小时，多路径效应相对较小。

将1 月份数据进一步放大分析，如图2 所示。

图2 CASH 站点2015 年1 月份2h 间隔数据质量分析

从图2 可以看出，站点观测文件数据受卫星星座周期运动影响，多路径效应和周跳比出现周期波动。周跳比受环境影响明显，一天内变化较大。原因是GPS 站点周边环境固定，卫星星座的周期运动在固定时间、固定方位对测量数据造成周跳影响。当GPS 控制网外业观测时，较差的观测结果可以尝试改变观测时段提高观测质量。

3 降雨对GPS 时间序列的影响

GPS 控制网一般为中长基线，利用差分无法完全消除电离层和对流层误差影响，需采用模型改正。降水期间，大气层水汽浓度变化剧烈，对流层扰动明显，模型改正无法完全消除对流层影响。文章采用美国麻省理工学院和加州大学圣地亚哥分校研制的GAMIT/GLOBK解算的基准站数据，生成坐标时间序列序列。以时间序列3 倍均方根作为解算坐标粗差的探测准则，当时间序列坐标值偏离该时间序列算术平均值3σ 以上时，该坐标值被认为是异常点。对比2014 年至2016 年3 年基准站时间序列数据和降水情况，结果如图3 所示。

图3 GPS 坐标时间序列异常点和降水情况对比图

可以看出，GPS 坐标时间序列的异常点受降雨影响明显，主要出现在降雨前后24h 内。在降雨较少的季节，异常点出现较少。GPS 平面精度高于高程测量精度，平面测量结果异常点明显少于高程测量结果。

4 结束语

（1）GPS 观测数据质量受降水影响明显，GPS 控制网外业观测应选择在天气条件较好的时间段。观测时段出现降雨时，需增加观测时间。

（2）GPS 接收机在同一站点多路径效应误差和周跳粗差等存在周期性变化，当数据质量较差无法满足解算需求时，可通过错时观测来提高观测数据质量。

（3）GPS 外业观测数据质量受季节影响较小。