河北省GNSS观测数据质量分析

郭亚亚，张玉林，任俊峰，王嘉琦

（河北省地震局 承德中心台，河北 承德 067000）

0 引言

GNSS经过几十年的发展，已经在多个行业发挥了重要作用。为了加强GNSS数据的利用率，越来越多的用户参与数据共享[1]。本文收集了河北省地理信息测绘局共享的59个GNSS测站数据，但由于这些台站建设标准、观测设备种类、运管程度等与地壳形变监测要求不同，其数据能否应用于地壳形变监测尚未可知，因此亟需对上述站点GNSS数据进行质量评估。本文使用TEQC软件从观测值有效率、多路径影响、周跳3个方面对上述59个测站2019年1—9月的观测数据做出可用性评价，并分析影响数据观测质量的因素。

1 TEQC软件介绍

TEQC软件是由美国UNAVCO Facility机构专门为地学研究开发研制的软件，可以自由下载，目前可以运行于Unix、Linux、Mac OS以及Windows的DOS等系统界面中，功能强大且简单易用。它主要包括数据格式转换、数据编辑和数据质量检测三大功能，附带的绘图包可以绘制随着卫星方位角/高度角的变化，多路径效应、卫星信号信噪比、电离层延迟及电离层延迟变化率等图形，本文中主要使用的是其质量检核功能。其基本原理是通过伪距和相位观测量的线性组合，计算出L1、L2观测量的多路径效应、钟漂和周跳等，以文件的形式输出结果[2-3]。

2 数据质量评价参数

在DOS窗口输入质量检核命令后，生成一系列文件，包含GNSS数据质量评价的几个重要参数：数据有效率、多路径误分析、观测值和周跳比。

2.1 观测值有效率

观测值有效率是实际历元数与理论历元数的比值：

观测值有效率反映的是观测时段内观测环境遮挡和接收机的接收中断情况。按《地壳运动监测技术规程》要求，数据有效率需达到85%以上。

2.2 多路径效应（MP1、MP2）

多路径效应是指接收机除直接收到卫星发射的信号外，还同时收到天线周围物体反射的卫星信号，这些信号相互干涉而产生一个复合信号，影响码和相位的量测，从而使观测数据产生误差[4]。在高反射环境下，影响显著增大，严重时还将引起信号的失锁，是GNSS测量中一种重要的误差源。

TEQC中反映多路径效应的是MP1、MP2。MP1表示L1波段上的多路径效应，MP2表示L2波段上的多路径效应，一般GNSS建站的多路径效应影响应不大于0.5 m。

2.3 周跳比（O/Slps）

接收机需要持续追踪卫星信号，以记录载波相位整周数具体变化的情况，但因为环境因素或接收机故障等原因，导致接收机不能连续跟踪信号，当再次追踪到卫星信号时，其记录到的载波相位观测中整周计数不连续，这种现象称为周跳[5-6]。

其中：O为观测值个数；Slps为周跳次数。周跳比O/Slps值的参考值为200，O/Slps值越大数据质量越好，越小说明出现周跳越严重。

3 数据质量分析

3.1 均值分析

利用TEQC的质量检核功能对河北省地理信息局59个GNSS测站2019年1—9月的连续观测数据的均值进行分析，观测值有效率、多路径效应、周跳比统计见表1、图1～2。观测值有效率在85%以上的测站58个，占测站总数的98.31%。其中18个测站的数据有效率高达99%，接近全部有效，只有SZJO测站数据有效率为83.86%，低于85%，不满足《中国地壳运动监测技术规程》的要求。MP1小于0.50 m（含0.50 m）的测站有53个，占测站总数的89.83%；MP2小于0.50 m（含0.50 m）的测站有42个，占测站总数的71.19%；O/Slps大于200（不含200）的有55个，占测站总数的93.22%，SW01、SZHJ、SZKB、SZLF、SZWX 5个测站，周跳比较小。

图1 GNSS测站有效率统计

表1 河北省地理信息局GNSS测站数据质量统计

续表1

3.2 时间序列分析

对2019年1—9月 均 值 较 差 的SW01、SZHJ、SZJO、SZLF、SZWX、SZKB6个测站，取单日解算均值做时间序列分析。从时间序列图3～4看，除SW01、SZLF和SZKB 3个测站数据有效率总体较好外，其他数据参数测值均较差，但各测站数据总体变化趋势不同。

图3 2019年1—9月SW01、SZHJ、SZJO测站数据有效率、多路径效应MP1、MP2、周跳比时间序列

SW01测站在第88天后周跳比基本小于200；SZHJ测站数据质量在第50天有明显下降趋势，到107天数据有效率低于85%，同时MP1、MP2值变大，周跳比减小；SZJO测站在第105天后周跳比开始小于200，同时数据有效率低于85%；SZWX测站1—6月的多路径效应严重，MP1、MP2值在1.2～3.0之间，在第177天之后恢复到0.5～0.6之间，仍大于0.5，同时段数据有效率恢复到85%以上；SZKB测 站1—6月 的MP1、MP2值 在0.55～0.70之 间，174天之后基本下降到0.5以下，174～273天周跳比均值为213，各参数值均符合《中国地壳运动监测测技术规程》的要求。

4 数据质量影响因素分析

用GAMIT程序的psconvert和ps2raster模块对均 值 较 差 的SW01、SZHJ、SZJO、SZKB、SZLF、SZWX 6个测站2019年1—9月的连续观测数据做解算，产出每个测站的单天相位残差图，评估多路径效应和接收机性能等因素对数据质量的影响。

从图5中可以看出，SW01测站接收机不能完整记录卫星运行轨迹，提示测站周边遮挡严重或接收机故障，SZHJ、SZJO、SZKB、SZLF、SZWX测站的相位残差较大，尤其是SZWX测站毛刺很大，提示测站周边为高反射环境，有镜面反射的楼体或水面[7-8]。

图5 SW01、SZHJ、SZJO、SZKB、SZLF、SZWX测站2019年第3天相位天空图

由图6看出，SW01测站在各个高度角分段内观测到卫星的历元数明显偏少，表明测站周边净空环境有遮挡；SZHJ、SZJO、SZKB、SZLF、SZWX测站，中间红色趋势线长时间偏离蓝色中线，表明卫星受到电磁干扰，短时偏离蓝色中线可能存在大气延迟误差[8]。

图6 SW01、SZHJ、SZJO、SZKB、SZLF、SZWX测站2019年第3天相位与高度角残差图

综上所述，SW01、SZHJ、SZJO、SZLF、SZWX、SZKB各测站数据质量较差的主要原因是环境干扰和仪器故障。如SZWX测站第177天数据质量骤然提高，极大可能是更换设备，而SW01和SZLF测站多路径效应长时间处于稳定的高值范围，是否因测站观测环境发生改变，都需要到站点异常核实。建议现场考察测站环境，若为树木遮挡，可定期修剪，注意环境维护；若为低矮山体或楼房遮挡，可选取适当的高度截止角，尽量接收高纬度的卫星；对于故障率较高的测站，加强巡检，及时维修。

5 结论

1）通过分析河北省地理信息局59个GNSS测站2019年1—9月的数据质量，得到如下结论：①大部分测站的数据质量良好，数据有效率大于90%，多路径效应MP1、MP2小于0.5 m，观测值与周跳比O/Slps值高于200，1/3测站的O/Slps值大于5 000。

表明基准站观测环境良好，仪器运行正常，满足地壳运动监测要求；②11个测站数据多路径效应影响较大，如能通过改善观测环境或运用数据后处理等方式减小多路径效应MP1、MP2的影响，可用于地壳运动监测；③SW01、SZHJ、SZJO、SZLF、SZWX 5个测站数据质量较差，不建议用于地壳运动监测；④SZKB测站数据质量在2019年6月后明显提升，达到地壳运动监测技术要求。

图2 GNSS测站MP1、MP2统计

图4 2019年1—9月SZLF、SZWX、SZKB测站数据有效率和多路径效应MP1、MP2、周跳比时间序列

2）环境干扰和仪器故障，是影响GNSS基准站观测数据质量的重要因素[3]。建议建台选址时对周围环境严格把关，同时注意环境与仪器维护，减小多路径效应影响与周跳。