ITRF南山GPS連續參考點數據質量分析

張阿麗，熊福文，朱文耀

（1.中國科學院 新疆天文臺，新疆 烏魯木齊830011；2.上海市地質調查研究院，上海200072；3.中國科學院 上海天文臺，上海 200030）

ITRF南山GPS連續參考點數據質量分析

張阿麗1，熊福文2，朱文耀3

（1.中國科學院 新疆天文臺，新疆 烏魯木齊830011；2.上海市地質調查研究院，上海200072；3.中國科學院 上海天文臺，上海 200030）

新疆天文臺南山GPS觀測站是國內、國際建立和維持ITRF進行全球動力學研究的參考點之一，由于其測站的特殊地理位置，測站的GPS觀測受到國際及國內相關學者的重視。為了確保測站GPS觀測數據的精度，對觀測數據進行質量評定。選取2012-11-15～12-15 GUAO站GPS觀測數據進行統計分析，重點分析了信噪比的強弱及多路徑效應對觀測數據的影響。

GPS；參考點；信噪比；高度角；多路徑誤差

新疆天文臺南山GPS基準站是全球和中國的地球參考架的一個重要參考點之一，是國際GPS服務IGS的重要基準站。南山GUAO站位于南山草原牧場，經過多年的觀測運行，已經取得了長時間的站坐標時間序列。為了確保南山GPS觀測數據的解算質量以及連續參考系統的運行狀況，對GPS接收機的觀測數據進行必要的質量分析，從而更清楚地了解觀測站點周邊的環境是否存在對參考站的干擾、有否存在引起多路徑效應的反射物以及電離層對流層的影響情況。

1 GUAO站信號品質統計分析

GPS接收機數據由ASHTECH 公司u-Z雙頻接收機進行采集， 扼流圈接收天線，數據采樣間隔為30 s。對南山觀測數據2012年近1個月時間（年積日DOY=320～350，對應2012-11-15～2012-12-15）GPS觀測數據進行統計分析，主要分析每天周跳（Cycle Slips）、多路徑效應（Multipath，MP1、MP2）、數據完整率（data completeness）、有效歷元（epochs with data）、導航數據完整性（navigation data）、格式完整性（format），統計、計算結果如表1所示。

表中MP1，MP2為GUAO站一天24 h接收L1、L2載波信號多路徑誤差的平均值， 最大值為0.26; 數據完整性最小值為99%。根據IGS對每天GPS原始數據周跳、多路徑效應、數據完整率、有效歷元、導航數據完整性、格式完整性限差的規定，在2012-11-15～2012-12-15間GPS數據質量良好、周圍多路徑干擾小、數據完整率好，這也說明南山GPS觀測站擁有相對較好的觀測環境，完全滿足International GPS Service （IGS）的數據檢測經驗值: MP1＜ 0.3，MP2＜0.42， 數據完整性＞ 95%，均滿足IGS對GPS基準站數據質量的要求。

2 GUAO站信噪比分析

信噪比SNR是表征接收機天線所接收到信號大小的一個量值[1,2]。它主要受天線增益參數、多路徑效應和接收機中隨機噪聲3方面影響。在高度角較高條件下，天線增益較大使得SNR得到有效提高。而在高度角較低條件下，一方面天線增益減小；另一方面由于多路徑效應增強使得SNR下降較為嚴重。

針對南山GUAO站的觀測情況，對2012-11-15～2012-12-15間觀測數據L1、L2載波信噪比（SNR）進行統計分析。圖1以350 d數據為例，繪制了L1、L2載波信噪比環視圖。

圖 1 GUAO站L1、L2載波信噪比環視圖（DOY=350）

圖1顯示了GUAO站觀測到的每顆衛星的L1、L2載波信噪比環視圖，從圖中可以得知，GUAO站L1、L2載波在高度角15°以上保持較高的信噪比，表明噪音較低、信號較強。從圖中顯示的單顆衛星的信噪比與高度同時可以看出，L1載波信噪比大于L2 載波信噪比，高度角越小， 信噪比越小， 誤差越大，完全滿足International GPS Service （IGS）的數據檢測經驗值: SN1＞6， SN2＞ 4。通過接收機采集數據分析，得出經過功分器后接收機收到的衛星信號的信噪比沒有下降，采用功分器將一個天線的信號分給多個接收機使用的模式是可行的。

表1 GUAO站GPS信號品質統計表

3 GUAO站多路徑分析

因存在多路徑影響， 接收機所接收的信號分兩類，即直接到達的信號和間接到達（物體反射和大氣折射）的信號。這些信號一起被接收機接收， 相互干涉而產生一個復合信號， 影響碼和相位的量測，使碼觀測值和載位觀測值產生誤差，從而使觀測值偏離真值，產生所謂的“多路徑誤差”。這種由多路徑信號傳播所引起的干涉時延效應被稱為多路徑效應。多路徑效應將嚴重損害GPS測量的精度，嚴重時還將引起信號的失鎖，是GPS測量中一種重要的誤差源[3]。多路徑誤差主要表現在：

1）多路徑誤差與衛星相對于天線的空間關系以及天線周圍的地物環境有關。有關研究表明，多路徑誤差可分為兩部分[4]，即周期性部分，通過增加觀測時間可以消除；固定部分，即使多次重復觀測也消除不了的，因為多路徑效應在各站之間無相關性。

2）多路徑效應的大小與衛星高度角有關，衛星高度角越低，影響就會越大[5]。

3）多路徑誤差的影響與反射源的反射系數有關。反射系數與反射源介質材料特性有密切的關系。金屬材料反射物，它會對電磁波產生全反射；對于非金屬材料反射物，多路徑誤差與其介電常數有關。介電常數越大反射越大，反之越小。

4）多路徑誤差的影響還與觀測站天線和反射源的距離有關。一般來說，多路徑誤差將隨著觀測站天線和反射源距離的增大而減小。這是由于電磁波在大氣中傳播時會有衰減。當天線和反射源的距離為10 m時，反射信號已衰減了10%;當天線和反射源的距離超過50 m時，則無需考慮反射信號對GPS衛星信號的影響[6]。

為了進一步分析GUAO站載波相位多路徑的特性， 同信噪比分析類似，我們分析處理了3 dGUAO站的觀測資料繪制了GUAO多路徑環視圖。 依次以2012-12-13（d348）、14（ d349）、15（d350）3 d的GPS 采樣間隔為30 s 的觀測數據為例，繪制以測站為中心按高度角和方位角分布的多路徑效應如圖2 所示。在多路徑環視圖中，圓圈代表高度角，越靠近中心，高度角越高；圖中向上方向為站點北方向，用來表示衛星相對于站點的方位角。圖中截止高度角設為15°( 灰色區域) ，曲線為衛星軌跡，紅色數字為衛星編號，衛星軌跡上的綠色不規則突起即為多路徑效應。

圖2 GUAO站L1、L2載波多路徑環視圖

在GPS 觀測過程中，衛星的位置不斷變化，其在測站極坐標系下的高度角也在不斷變化，而不同高度角計算出的多路徑殘差值是不一樣的。從圖2可以看出，GUAO站觀測到的衛星數及單顆衛星的多路徑及高度角信息，在高度角較低時，多路徑誤差明顯較大，同時多數粗差和周跳也發生在高度角較低的時候。GUAO站L1、L2載波在高度角15°以上多路徑影響很小。由圖2 可見，衛星連續3 d 的多路徑效應具有較強的相似性以及在相鄰觀測天多路徑效應具有較高的符合性。這也說明多路徑效應存在的客觀性以及多路徑效應具有可重復性特征[7]。

為了進一步分析載波相位多路徑的特性，以及分析多路徑效應和衛星空間位置的關系，我們繪制了多路徑效應殘差與衛星高度角的關系見圖3、圖4。圖3顯示了1號衛星的多路徑時間序列與衛星高度角的關系，圖4顯示了在天線周圍環境固定不變的情況下，對于每一顆衛星來說，測站的多路徑效應只隨衛星的空間位置變化而變化，即與衛星高度角和方位角有關。高度角越高，多路徑效應越小。從整體上看，GUAO站多路徑效應在合理的范圍內，說明周圍觀測環境比較理想。

圖3 GUAO站1號衛星多路徑時間序列

圖4 GUAO站多路徑與高度角關系

4 結 語

1）好的站址可以有效減弱多路徑效應的影響，保證GPS觀測質量的精度。為了防止多路徑效應的影響，選站時應避免鄰近有高山、高層建筑物及大面積的平靜水面。而灌木叢、草地和其他地面植被能較好地吸收微波信號的能量，反射很弱，是較為理想的設站地址，如GUAO站。

2）GPS觀測數據的評定結果顯示，GUAO站GPS數據質量良好、周圍多路徑干擾小、數據完整率好，信噪比高，均滿足IGS對GPS基準站數據質量的要求。

[1] 李國重，李軍正，李建文，等.基于衛星服務中斷的GPS在中國服務區可用性分析[J].測繪科學技術學報，2011，28(1):1-4

[2] 熊波，萬衛星.GPS衛星信標信噪比的統計分析[J].空間科學學報，2006，26(5)：326-330

[3] 李征航,黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢:武漢大學出版社,2005

[4] 譚觀龍.淺談GPS測量多路徑誤差[J].地理空間信息,2008,6(5):56-58

[5] 謝世杰,種紹龍,袁銘.論GPS測量中的多徑誤差[J].測繪通報,2003(5):1-5

[6] 過靜君,商瑞斌,李毓麟.多路徑效應對GPS定位影響的研究[J].工程勘察,1995(2):46-49

[7] 袁林果,黃丁發,丁曉利,等.GPS載波相位測量中的信號多路徑效應影響研究[J].測繪學報,2004,33(3):210-215

P228.41

B

1672-4623（2015）03-0090-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.032

張阿麗，副研究員，主要研究方向為天體測量與地球動力學。

2014-05-16。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（10978022）。