中国境内IGS基准站观测数据质量分析

隋铭明

摘 要：随着全球卫星导航系统的迅速发展，全球以及各个国家和地区相继建设了GNSS基准站网，GNSS基准站观测数据的质量对于系统应用的精度和可靠性至关重要。本文重点对中国境内多个IGS基准站的原始观测数据进行了质量分析，从数据完整率、多路径效应、信噪比和周跳比等方面进行了多维度评价。结果表明，中国境内IGS基准站的观测数据质量整体良好，少数站点存在信噪比、多路径指标较差的问题。

关键词：IGS; GNSS基准站; 卫星信号; 质量分析

中图分类号：P223        文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）7-179-002

全球卫星导航定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）近年来发展迅速，美国、俄罗斯、欧盟和中国先后完成了各自系统的部署[1]。与此同时，全球范围内已经建立了许多不同区域、不同尺度和用途的GNSS基准网，如国际GNSS服务（International GNSS Service，IGS）维护的全球基准站网、美国和中国等国家级基准网以及江苏省基准站网等区域级基准站网等。

随着基准站网用户不断增多，保障数据质量的稳定变得尤为重要。卫星端、信号传播过程以及接收端，都存在多种因素会对基准站观测数据质量造成影响，进而直接影响到导航定位的精度和可靠性，因此有必要开展GNSS基准站数据质量的分析评估。IGS基准站网作为全球规模最大、分布最广的基准站网，为高精度全球参考框架的建立、精密地球自转参数的确定、GNSS轨道的确定以及区域地球动力学研究提供了有力支撑[2]。开展IGS基准站特别是我国境内的IGS基准站观测数据的质量分析，对于开展GNSS科学研究以及国内相关工程的应用具有十分重要的意义。

1.IGS建设现状

IGS是国际大地测量协会为支持大地测量和地球动力学研究，于1993年组建的一个国际协作组织，1994年1月1日正式开始工作，面向全球提供GNSS观测数据、精密星历、自转参数、大气延迟等产品服务，以满足广泛的科学研究及工程领域的需要。

IGS由全球分布的400多个永久连续运行的GNSS基准站网、4个数据中心和11个分析处理中心组成[3]。基准站网的跟踪数据是IGS的重要数据基础，是相关产品加工处理的源数据。分析中心能够直接和跟踪站进行通信，收集原始观测数据，并对基准站数据进行处理分析，数据中心对各分析中心的产品进行综合计算，得到最终的数据产品。

目前，在全球分布的IGS基准站中，有10余个在中国境内，分别位于武汉、北京、乌鲁木齐、拉萨、长春、昆明、西安、上海、香港和台湾等地。在建立我国国家坐标框架和全球坐标框架的联系时，往往和这些基准站进行联测，同时采用站点的坐标作为约束进行联合平差。基准站观测数据质量的好坏直接决定了应用的效果，因而有必要从多个维度对基准站的卫星信号质量进行分析。

2.数据质量分析指标

国内外数据质量分析采用的精度指标各有差异，其计算和分析方法与标准也不统一，大多采用数据完整率、多路径误差、信噪比和周跳比等分析指标，它们可以全面反映GNSS观测数据的质量。

2.1数据完整率

数据完整率为观测数据的实际历元数与预期历元数比值，反映了当卫星高度角大于截止高度角时数据的完整性。数据完整率越高，观测质量越高。数据完整率也能反映观测环境的优劣情况。接收机故障或环境干扰可能导致数据利用率过低。

2.2多路径误差

基准站在接收来自卫星直接信号的同时，也接收了测站周围的反射物反射的卫星信号，二者产生干涉时延效应，从而产生观测值与真值的误差[4]。其不仅影响测量精度，严重时甚至会引起信号失锁，是一项重要的误差。多路径误差可以利用伪距和载波相位观测值的组合进行计算。

多路径效应的主要影响因素是测站周边环境，对于多路径效应引起的测量误差，主要通过从改善设备和观测环境两方面减弱，如选择高性能接收机和扼流圈天线，选择良好观测条件等措施。

2.3信噪比

在卫星信号的传输过程中，由于各种原因，卫星接收机的输入端的信号会混杂进一些噪声，信号的质量一般情况下用信噪比来表示，其计算方法是载波信号和噪声的平均功率的比值，因而也可以称之为载噪比。

信噪比反映了信号的强度，对于接收机对卫星信号的搜索能力、追踪效率以及定位精度来说都是重要且不可或缺的参数，是用来评价载波相位观测值的重要指标。卫星信号的信噪比通常情况下与卫星发射天线增益、地面接收机天线增益、接收机和天线的放置角度、卫地距离、电离層损耗、多路径效应都有一定的关系。通常，信噪比的值越大，表明信号的强度和质量越好，从而观测的质量和精度越高。

2.4周跳比

周跳是指在载波相位测量中，由于卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变或中断。造成周跳的原因是多样的，其中主要有卫星信号的遮挡，外界环境导致的信号失锁，接收设备质量问题等。周跳比越低，表明发生周跳的历元占总的观测历元的比值越低，在总的观测历元相同的情况下，则发生周跳的历元越少。

3.观测数据质量分析结果

3.1数据来源

为了对中国境内的IGS基准站的信号情况进行综合评价，本文选择了具有代表性的12个基准站的数据进行分析，12个站点分布在大陆、香港和台湾等区域，具体站点列表见表1所示。具体质量分析时，采用了2019年1月28日24小时的原始观测数据进行。

3.2质量分析工具

数据质量分析使用TEQC软件进行，其是国际上应用最为广泛的GNSS数据质量分析软件，由美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体研制[5]。软件主要功能包括数据格式转换、数据编辑和质量检核等，本文主要利用其质量检核功能。TEQC质量检核有两种模式：lite模式和full模式，full模式的质量检测需要RINEX2.11格式的观测值o文件和导航n文件，lite模式下的质量检测只需要o文件，只有在full模式下才能计算数据利用率和卫星高度角。

3.3分析结果

对12个站点的数据质量各指标的分析结果如表1所示，MP1、MP2代表的是L1和L2频率的多路径误差，SN1和SN2分别代表的信噪比，o/slps为周跳比。

对于数据完整率，所有站点均达到95%及以上，由此可见，中国境内的这12个IGS基准点的有效观测值较多，观测环境良好，数据质量高，数据丢失现象少。

对于多路径效应，一般认为MP1和MP2分别小于0.35和0.45时，由其产生的误差几乎不会对系统稳定运行造成影响，满足该条件的站点有五个，分别是BJFS、TWTF、HKWS、HKSL、TCMS。而CHAN和SHAO两个基准站的多路径影响较为严重。

对于信噪比而言，信噪比值越大，信号受外界噪声影响越小，信号质量越高，从图2中发现12个站点中BJNM、CKSV、KNKM、TCMS四个基准站的观测数据受外界噪声影响较大。

对于周跳，TEQC采用的是观测值与周跳比（o/slps）作为指标，选取o/slps=200作为参考标准，o/slps越小说明周跳现象越严重。上述数据结果表明实验选取基准站的数据接收较稳定，受到卫星失锁、信号中断等情况的影响较小。

4.结束语

本文用TEQC软件对中国境内的12个IGS基准站的观测数据进行了质量分析，结果可以看出，各基准站观测数据质量较好，说明基准站的运行总体状态良好，但也存在部分站点信噪比、多路径指标较差的问题，其具体原因需要进一步探究。本文的研究对于分析评价中国境内各IGS基准站的信号质量具有一定的参考价值，但受限于分析的数据量偏少，基准站信号质量的稳定性有待于进一步分析。

参考文献：

[1]庞之浩，王东.艰苦卓绝的“北斗”发展历程[J]国际太空.2020（08）：13-18

[2]姜卫平.GNSS基准站网数据处理方法与应用[M]武汉：武汉大学出版社，2017.9-19

[3]何一辛，李浩军，周晋.不同IGS分析中心产品精密单点定位结果分析[J]导航定位学报，2020，8（1）：38-42

[4]徐绍铨，张华海，杨志强等.GPS测量原理及应用（第三版）[M]武汉：武汉大学出版社，2018.100-113

[5]龔真春，赵龙海，林成寿等.TEQC结合RTKLIB软件检核GPS观测数据质量[J]全球定位系统，2018，43（05）：123-128