GPS接收機儀器偏差的長期變化特性分析*

周東旭 袁運斌 李子申 劉西鳳

(1)中國科學院測量與地球物理研究所動力大地測量學重點實驗室，武漢 430077 2)中國科學院研究生院，北京100049)

GPS接收機儀器偏差的長期變化特性分析*

周東旭1，2)袁運斌1)李子申1，2)劉西鳳1)

(1)中國科學院測量與地球物理研究所動力大地測量學重點實驗室，武漢 430077 2)中國科學院研究生院，北京100049)

基于歐洲定軌中心2001—2009年發布的部分IGS測站接收機儀器偏差估值，分析了不同類型接收機DCB的長期變化特性。結果表明：各類接收機DCB的長期時變特征均具備一定的周期性，其中以月和年周期最為明顯;接收機DCB的長期變化中還存在一定的波動，部分接收機DCB的穩定性隨時間積累逐漸變差，甚至存在偏移。

接收機儀器偏差;長期變化;全球導航衛星系統;歐洲定軌中心;周期性

1 引言

GPS觀測量中的儀器偏差(DCB)，是GPS衛星和用戶接收機的硬件對信號產生延遲影響的統稱［1］。它是利用GPS觀測數據解算電離層總電子含量的重要誤差源，同時反映GPS接收機的硬件性能。分析接收機DCB隨時間的變化特性，有助于進一步掌握接收機的工作狀態，以及TEC的精確確定及預報。國內外學者基于GPS實測數據，采用不同方法對DCB進行了探討［2-13］，其中，歐洲定軌中心CODE(Center for Orbit Determination in Europe)基于P1、P2碼觀測量對全球IGS基準站的接收機DCB進行了多年的研究和計算，其發布的接收機DCB估值具有較高的精度和可靠性，得到廣泛的認可和應用。但目前的研究大多集中于站星組合或衛星DCB估計算法，鮮有專門針對接收機DCB變化特性的深入分析。

本文基于全球IGS基準站2001—2009年的CODE接收機DCB估值，探討了接收機DCB的長期變化特性，同時結合譜分析和濾波方法，研究了接收機DCB長期變化的周期性特征。

2 GPS接收機DCB長期變化特性分析

首先從CODE在2001—2009年期間發布的各IGS測站接收機DCB估值中，選取了不同區域IGS站的接收機DCB估值，以及同一區域內部分IGS站的接收機DCB估值，探討接收機DCB連續9年的長期變化特性;然后采用譜分析和濾波方法，具體分析和掌握接收機DCB的周期變化特征。

2.1 接收機DCB長期變化分析

圖1(圖中圓圈表示該時段有接收機設備的更換，虛線方框標注部分為DCB存在偏移的時段)顯示了全球不同區域內8個IGS站9年的接收機DCB估值時間序列(IGS站具體信息見表1，其中時間序列空白部分為數據缺失)，其他IGS站的接收機DCB估值時間序列與之類似。為便于分析，X軸以年序號標注。從圖1和表1可以看到，如不考慮接收機硬件設備更換引起的數據跳變，各站的接收機DCB估值時間序列除2001—2003年的波動幅度相對較大外，其他時段整體變化比較穩定，平均波動幅度最大為1.88 ns。不同類型接收機的DCB估值和波動幅度存在差異，平均波動幅度的差異可達1 ns，具有同一類型接收機的KUNM、GUAM兩站，其DCB均值與標準差也存在差異，其中平均波動幅度差異為0.3 ns;除NLIB站由于接收機硬件設備的更換造成時間序列中斷，難以辨析周期變化外，其他站都呈現出近似年變化周期，但各站的周期變化趨勢和變化幅度存在差異。

KERG站在2004—2009年的平均波動幅度為1.77 ns，在沒有更換接收機硬件設備情況下(最近一次更換接收機硬件設備的時間為2004年1月13日)，該站的接收機DCB估值時間序列在2007—2009年出現了較大的波動和明顯的偏移現象，偏移量達到2.79 ns。NLIB站在接收機硬件設備更換前的2004年也出現明顯偏移現象，偏移量為2.13 ns?？梢?，隨著工作時間的積累，GPS接收機硬件設備的老化，一些GPS接收機的DCB穩定性會變差，甚至出現偏移現象。此外，MADR站由于接收機內部硬件的更換，其時間序列在2003年也發生跳變。

圖1 不同地區GPS接收機DCB估值時間序列(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

圖2為中國區域內KUNM、BJFS、WUHN、TWTF 4站2001—2009年的接收機DCB估值時間序列(測站信息見表2)。圖2顯示，各站的接收機DCB估值除2001—2003年的波動偏大外，其他時段整體變化平穩，不同站的DCB估值和波動幅度存在差異，其中平均波動幅度差異最大為 1.04 ns;除TWTF站外，其余3站都有近似的年周期變化特征，并且KUNM、BJFS兩站時間序列的周期變化趨勢相反。

由圖1～2和表1～2的分析結果可知，接收機DCB在長期變化過程中整體相對穩定，但具有一定的波動和周期性，不同IGS站之間，GPS接收機DCB的波動和變化周期存在差異，并且在部分時段，個別接收機的DCB穩定性隨時間積累變差，甚至出現偏移現象。

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

圖2 不同類型接收機DCB估值時間序列(2001—2009年)Fig.2 Time series of receivers’DCB of different type(2001-2009)

2.2 接收機DCB的周期特征分析

圖3顯示了KUNM站GPS接收機DCB估值的譜分析結果。其中，接收機DCB具有明顯的年變化周期，同時具有一定的月、季節、半年等變化周期。

圖3 KUNM站接收機儀器偏差估值譜分析結果(2001—2008年)Fig.3 Results of receiver’s DCB with spectrum analysis (2001-2008)

圖4為KUNM站接收機DCB估值的各主要變化周期的濾波結果，其他IGS基準站的結果與之類似，在此不一一列舉。由圖4可見，月周期與年周期整體變化顯著，振幅較大，季節與半年周期項振幅相對較小;其中月周期和季節周期項振幅隨時間變化較劇烈，半年與年周期項振幅變化相對平緩。

為進一步分析接收機DCB估值的月、季節、半年、年等變化周期的大小與變化情況，選取KUNM等IGS站的接收機DCB各變化周期9年的最大振幅和平均振幅作為統計指標(表3)進行分析。由表3可見，月周期變化中，各IGS站的最大振幅均大于1.1 ns，而平均振幅最大為0.69 ns，二者的平均差異達到1.66 ns，表明月周期變化隨時間變化比較劇烈;季節周期和半年周期變化的最大振幅、平均振幅以及二者的平均差異都相對較小，即季節周期和半年周期變化在GPS接收機DCB長期變化中不顯著;年周期變化中，各站的最大振幅和平均振幅相對其他周期變化整體偏大，平均振幅的均值為0.86 ns，最大振幅和平均振幅的平均差異為0.45 ns，表明年周期變化在GPS接收機DCB周期變化中最為顯著，并且隨時間變化相對平緩。

3 結論

1)GPS接收機DCB的變化具有一定的周期性，主要包括月、季節、半年、年等變化周期，其中月周期變化隨時間變化劇烈，年周期變化在整體變化過程中最為明顯，平均振幅可達ns級。并且不同類型GPS接收機DCB的周期變化特性存在差異。

2)GPS接收機DCB變化整體呈比較穩定的特性，但也存在一定的波動，并且一些接收機DCB的穩定性隨著工作時間的積累會逐漸變差，甚至產生偏移現象。

圖4 KUNM站接收機DCB估值濾波結果(2001—2008年)Fig.4 Filtered results of receiver’s DCB(2001-2008)

表3 周期變化統計表(單位：ns)Tab.3 Statistics of periodic change terms(unit：ns)

3)目前，常借助電離層模型進行接收機DCB的精確確定，但這是一種后處理方法，并且當觀測數據量不足時，接收機DCB的解算精度會嚴重降低，此時，利用GPS接收機DCB長期變化特征監測得到的預報值進行實時導航、定位、TEC的提取具有重要意義，并且有助于掌握接收機的工作狀態。

由于CODE接收機DCB估值是與電離層TEC值同時確定的，本文所分析的周期變化特征是否受電離層變化周期的影響有待進一步分析。

致謝 感謝張寶成、蘇曉慶博士研究生的幫助，感謝CODE提供儀器偏差值。

1 袁運斌.基于GPS的電離層監測及延遲改正理論與方法的研究［D］.中國科學院測量與地球物理研究所，2002.(Yuan Yunbin.Study on theories and methods of correcting ionospheric delay and monitoring ionosphere based on GPS［D］.Institute of Geodesy and Geophysics of Chinese Academy of Sciences，2002)

2 Brunini C and Azpilicueta F.Accuracy assessment of the GPS-based slant total electron content［J］.Journal of Geodesy，2009，83：773-785.

3 Brunini C and Azpilicueta F.GPS slant total electron content accuracy using the single layer model under different geomagnetic regions and ionospheric conditions［J］.Journal of Geodesy，2010，84：293-304.

4 袁運斌，歐吉坤.GPS觀測數據中的儀器偏差對確定電離層延遲的影響及處理方法［J］.測繪學報，1999，28(2)：110-114.(Yuan Yunbin and Ou Jikun.The effects of instrumental bias in GPS observations on determining ionospheric delays and the methods of its calibration［J］.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，1999，28(2)：110-114)

5 Sardon E and Zarraoa N.Estimation of the transmitter and receiver differential biases and the ionospheric total electron content from global positioning system observations［J］.Radio Science，1994，19(3)：577-586.

6 Ma G and Maruyama T.Derivation of TEC and estimation of instrumental biases from GEONET in Japan［J］.Annales Geophysicae，2003，21：2 083-2 093.

7 Gao Y，et al.Modeling and estimation of C1-P1 bias in GPS receivers［J］.Journal of Geodesy，2001，74：621-626.

8 Ciraolo L，et al.Calibration errors on experimental slant total electron content(TEC)determined with GPS［J］.Journal of Geodesy，2007，81：111-120.

9 蔡昌盛，李征航，張小紅.GPS系統硬件延遲修正方法的探討［J］.測繪通報，2002，4：15-16.(Cai Changsheng，Li Zhenghang and Zhang Xiaohong.A study of calibration method of GPS satellite and receiver instrumental biases［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2002，4：15-16)

10 常青，等.GPS系統硬件延遲修正方法［J］.科學通報，2000，45(15)：1 676-1 680.(Chang Qing，et al.Correct way of GPS hardware delay［J］.Chinese Science Bulletin，2000，45(15)：1 676-1 680)

11 章紅平，施闖，唐衛明.地基GPS區域電離層多項式模型與硬件延遲統一解算分析［J］.武漢大學學報(信息科學版)，2008，33(8)：805-809.(Zhang Hongping，Shi Chuang and Tang Weiming.United solution to polynomial VTEC modeling and DCB analysis using ground based GPS observations［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2008，33(8)：805-809)

12 宋小勇，等.GPS接收機碼間偏差(DCB)的確定［J］.大地測量與地球動力學，2009，(1)：127-131.(Song Xiaoyong，et al.Determination of GPS receiver’s DCB［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(1)：127-131)

13 安家春，等.基于單站的硬件延遲求解方法［J］.大地測量與地球動力學，2009，(2)：86-90.(An Jiachun，et al.Methods for estimation of differential code biases by using single station GPS measurements［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(2)：86-90)

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

周東旭，男，1982年生，碩士研究生，主要研究方向為基于GNSS的電離層研究.E-mail：zhoudongxu12@163.com

1671-5942(2011)05-0114-05

2011-03-10

國家自然科學基金(40890160，41021003，40625013);中國科學院研究生科技創新實踐項目(Y005381038);導航年會青優資助課題(CSNC2010-QY-013);國家863計劃項目(2008AA12Z303)

P227;P207

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