全球范圍IGS監(jiān)測站GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

宗干,郭金運(yùn)

(1.青島市光電工程技術(shù)研究院,山東 青島 266109;2.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590)

0 引 言

隨著基本衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)的持續(xù)建設(shè)發(fā)展,國際全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)服務(wù)組織(IGS)連續(xù)監(jiān)測站的數(shù)量及分布范圍也在不斷增長擴(kuò)大．大量的地面連續(xù)觀測數(shù)據(jù)一方面可用于導(dǎo)航衛(wèi)星軌道、鐘差等的精確確定,為系統(tǒng)自身完善提供有效數(shù)據(jù)支撐;另一方面可為廣大系統(tǒng)用戶所用,服務(wù)于大陸板塊運(yùn)動分析、大氣參數(shù)反演以及高精度定位、授時等諸多方面[1-5]．

IGS監(jiān)測站發(fā)揮作用的前提是具備良好的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量,觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量水平與解算結(jié)果密不可分,使用前應(yīng)首先對所選站點(diǎn)原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量做出評估篩查．目前已有學(xué)者針對連續(xù)監(jiān)測站數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析,但評估樣本多為某一局部地區(qū)內(nèi)專用站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)[6-9],而面向IGS站點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[10-11]也多是針對特定區(qū)域,針對全球范圍IGS站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的公開評估結(jié)果較少．

為了解全球范圍內(nèi)IGS站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的基本情況,同時考慮到各GNSS目前全球覆蓋能力和發(fā)展成熟度,本文以全球定位系統(tǒng)(GPS)作為分析對象,針對其2017年的原始觀測數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)所受多徑影響、數(shù)據(jù)觀測完整程度以及數(shù)據(jù)中跳變比例三方面進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價統(tǒng)計(jì),結(jié)果可為相關(guān)科研及工程應(yīng)用中的站點(diǎn)選擇工作提供參考借鑒,提高站點(diǎn)選取時的目的性,降低該過程中隨機(jī)性和盲目性．

1 分析對象及質(zhì)量評估方法

1.1 分析對象基本情況

參與質(zhì)量分析的IGS監(jiān)測站2017年GPS觀測數(shù)據(jù)來自IGS全球數(shù)據(jù)中心CDDIS(CrustalDynamiticDataInformationSystem)的FTP站點(diǎn)(ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/)．

為保證所有參與質(zhì)量分析的監(jiān)測站在數(shù)據(jù)量上保持相同且數(shù)據(jù)采集時間一致,篩選出全年觀測數(shù)據(jù)完整上傳的監(jiān)測站為分析對象,共189座,站點(diǎn)分布如圖1所示．

為便于統(tǒng)計(jì),將參與分析的189個站點(diǎn)依其所在位置按大洲進(jìn)行分組(位于遠(yuǎn)海島嶼的站點(diǎn)根據(jù)該島嶼所屬國家歸入相應(yīng)大洲,南極洲站點(diǎn)獨(dú)立劃分,不區(qū)分國家), 其中歐洲有64座, 整體分布密集;北美洲有59座,主要位于美國和加拿大兩國;亞洲有12座,大多位于東亞、中亞國家;大洋洲有36座,澳大利亞和新西蘭占大多數(shù);南美洲有10座,較均勻分布于整個大陸;非洲有2座,位置靠近南部沿海地區(qū);南極洲有6座,多數(shù)布設(shè)于大陸邊緣．具體數(shù)量情況如表1所示．

圖1 全球范圍被測站點(diǎn)分布

表1 各大洲被測站點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

由表1可知,全年數(shù)據(jù)完整上傳的站點(diǎn)中歐洲占比略超3成,比重最大,其次為北美洲,占比為31.22%,此兩大洲站點(diǎn)總和所占比重已超過6成,其余約4成站點(diǎn)分布于其他五大洲,所占比重由大到小依次為大洋洲、亞洲、南美洲、南極洲和非洲．

1.2 分析指標(biāo)與方法

為提高統(tǒng)計(jì)結(jié)果的通用性和可信度,各站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價基于TEQC軟件[12-13]給出的指標(biāo)開展,包括反映觀測數(shù)據(jù)中多路徑影響水平的指標(biāo)MP1、MP2[14-17],反映觀測數(shù)據(jù)接收完整情況的指標(biāo)“實(shí)收-應(yīng)收觀測比”[14-17]以及反映觀測的數(shù)據(jù)中跳變數(shù)量的指標(biāo)“觀測-跳變比”(O/Slps)[14-17]．

各指標(biāo)的合格閾值將優(yōu)先按照國家標(biāo)準(zhǔn)[18]進(jìn)行設(shè)定,其中MP1、MP2值上限設(shè)為0.5m和0.65m;“實(shí)收-應(yīng)收觀測比”的下限設(shè)為95%;而對于O/Slps,由于其閾值在國家標(biāo)準(zhǔn)[18]中并沒有明確給出,且在各文獻(xiàn)中的評價標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一(主要有100和200兩種指標(biāo)[6,15,19-20]),經(jīng)對被測站點(diǎn)全年O/Slps值的統(tǒng)計(jì),得到該值主要分布區(qū)間為(0,30000),考慮該值越大越優(yōu)的特點(diǎn),取該范圍內(nèi)最小的5%,即O/Slps值小于1 500為未達(dá)標(biāo)．具體情況如表2所示．

表2 質(zhì)量評價指標(biāo)及閾值

基于以上指標(biāo),數(shù)據(jù)質(zhì)量分析工作分為兩步進(jìn)行:第一步是通過與對應(yīng)閾值進(jìn)行對比,獲得各指標(biāo)的日合格情況,然后基于此統(tǒng)計(jì)出各指標(biāo)全年的合格天數(shù),進(jìn)而計(jì)算出指標(biāo)的年合格率(合格天數(shù)占總天數(shù)的比例)．基于各項(xiàng)指標(biāo)的年合格率,得出關(guān)于各站點(diǎn)2017年數(shù)據(jù)質(zhì)量水平的初步評估結(jié)果．

第二步,為進(jìn)一步了解站點(diǎn)年數(shù)據(jù)質(zhì)量情況,使用各指標(biāo)的年合格率均值為判斷標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)造評價函數(shù)為

I(i)=

(1)

2 質(zhì)量分析及評價結(jié)果

接下來以大洲為單位對站點(diǎn)2017年GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析．

2.1 歐洲

歐洲共有64座監(jiān)測站完整上傳了全年觀測數(shù)據(jù)．由圖1可知,歐洲站點(diǎn)在大陸本土分布較為密集,俄羅斯中東部地區(qū)分布較稀疏,同時由于英國、法國等國家海外領(lǐng)地的存在,太平洋、大西洋、印度洋等地區(qū)皆有監(jiān)測站布設(shè)．

以此為對象進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析,統(tǒng)計(jì)TEQC軟件輸出的各站MP1、MP2、數(shù)據(jù)實(shí)收-應(yīng)收觀測比以及O/Slps四項(xiàng)指標(biāo)年合格率,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2、圖3所示．

圖2 歐洲數(shù)據(jù)完整上傳站點(diǎn)MP1、MP2值年合格率

圖3 歐洲數(shù)據(jù)完整上傳站點(diǎn)實(shí)收-應(yīng)收觀測比、觀測跳變比年合格率

整體來看,參與統(tǒng)計(jì)的歐洲各站全年MP1和MP2值合格情況相似,多數(shù)站點(diǎn)合格天數(shù)超過全年的80%,少數(shù)站點(diǎn)MP值年合格率低于60%,如bilb、kely、kiro、lovj、mar6、onsa、spt0以及zimj站,說明站點(diǎn)數(shù)據(jù)受多徑影響較嚴(yán)重．

實(shí)收-應(yīng)收觀測比方面,多數(shù)站年合格率超過80%,數(shù)據(jù)觀測完整程度較高,少部分站點(diǎn)該指標(biāo)合格率低于60%,如bilb、bogi,mar6、mobj、mobk、opmt以及pets站．O/Slps值各站年合格情況差異較大,其中bilb、lovj、mar6、mars、metg、pets以及vill站年合格率接近0%,說明數(shù)據(jù)中含有較多跳變．

然后根據(jù)式(1)可得歐洲數(shù)據(jù)完整上傳的站點(diǎn)中有bilb、lovj、mar6以及pets站的GPS觀測數(shù)據(jù)平均質(zhì)量未達(dá)標(biāo)．該四站四項(xiàng)指標(biāo)的時間序列如圖4所示．

圖4 歐洲年平均數(shù)據(jù)質(zhì)量未達(dá)標(biāo)站點(diǎn)指標(biāo)時序

由圖4可以看出,pets站MP水平較其他站點(diǎn)理想但實(shí)收-應(yīng)收觀測比值較低,bilb站O/Slps值整體低于其他三站,lovj、mar6兩站四項(xiàng)指標(biāo)整體變化情況相似．綜合分析來看,雖然四站達(dá)標(biāo)情況不理想,但全年數(shù)據(jù)變化離散程度較低,數(shù)據(jù)分布集中,說明測站內(nèi)外部環(huán)境全年變化不大,觀測數(shù)據(jù)持續(xù)受到某種不利因素影響．

2.2 北美洲

北美洲各國共有59座監(jiān)測站全年完整上傳了觀測數(shù)據(jù)．由圖1可以看出北美洲監(jiān)測站主要位于美國及加拿大兩國,其中美國加利福尼亞州南部以及加拿大溫哥華島監(jiān)測站布設(shè)密集,少數(shù)站點(diǎn)分布于美洲中部地區(qū),同時在太平洋島嶼也有監(jiān)測站布設(shè),如guam站(關(guān)島),kokr站(夏威夷群島)．

對各站全年的MP1、MP2、數(shù)據(jù)實(shí)收-應(yīng)收觀測比以及O/Slps四項(xiàng)指標(biāo)的年合格率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5、圖6所示．

圖5 北美洲數(shù)據(jù)完整上傳站點(diǎn)MP1、MP2值年合格率

由圖5可以看出北美洲各站MP2值年合格率整體優(yōu)于MP1,僅有fair、gol2、nlib以及wlsn站MP2合格率低于60%,而MP1值有較多站點(diǎn)合格率較低,其中bamf、cags、chwk、fair以及gol2站等站點(diǎn)合格率接近0%,數(shù)據(jù)受多徑影響較嚴(yán)重．

圖6 北美洲數(shù)據(jù)完整上傳站點(diǎn)實(shí)收-應(yīng)收觀測比、觀測跳變比年合格率

實(shí)收-應(yīng)收觀測比方面,北美洲各站情況與歐洲類似,有較多站點(diǎn)年合格率超過80%,少部分站點(diǎn)該項(xiàng)指標(biāo)明顯較低,如bamf、chwk、fair、guam、nlib以及sfdm站等．

北美洲各站的觀測跳變比合格情況同樣呈現(xiàn)站間情況差異明顯的現(xiàn)象．其中albh、alg2、brew、cit1等站年合格率接近100%,而amc2、bamf、bcov、chwk、fair、guam、lbch等站年合格水平不理想,反映出跳變出現(xiàn)較頻繁．

通過式(1)進(jìn)行篩選,北美洲數(shù)據(jù)完整上傳的站點(diǎn)中,fair、nlib以及wlsn站全年平均質(zhì)量未達(dá)標(biāo),該三站四項(xiàng)指標(biāo)的時間序列如圖7所示．

圖7 北美洲年平均數(shù)據(jù)質(zhì)量未達(dá)標(biāo)站點(diǎn)指標(biāo)時序

由圖7可知,三站點(diǎn)全年的MP及O/Slps值變化情況相近,但nlib站離散程度更大,另外該站實(shí)收-應(yīng)收觀測比整體低于其他兩站．綜合分析來看,與歐洲情況類似,此三站數(shù)據(jù)整體分布集中,全年觀測同樣持續(xù)受到不利因素影響．

2.3 亞洲及大洋洲

亞洲及大洋洲各有12座和36座參考站完整上傳了觀測數(shù)據(jù)．由圖1可知亞洲站點(diǎn)分布較稀疏,主要位于中國、日本、菲律賓、吉爾吉斯斯坦等國;大洋洲站點(diǎn)數(shù)量較多且密集,主要屬于澳大利亞和新西蘭兩國,其余站點(diǎn)多位于其周邊海島．

兩大洲站點(diǎn)四項(xiàng)指標(biāo)年合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8、9所示．

圖8 亞洲、大洋洲數(shù)據(jù)完整上傳站點(diǎn)MP1、MP2值年合格率

圖8中左起前12個站點(diǎn)是亞洲監(jiān)測站,其他為大洋洲站．MP值方面,以上站點(diǎn)MP2年合格率僅mizu、pimo兩站未達(dá)到80%,達(dá)標(biāo)情況明顯優(yōu)于MP1．

圖9 亞洲、大洋洲數(shù)據(jù)完整上傳站點(diǎn)實(shí)收-應(yīng)收觀測比、觀測跳變比年合格率

圖9中各站全年實(shí)收-應(yīng)收觀測比情況與歐洲、北美洲相似,年合格率超過80%的監(jiān)測站占較大比例．合格水平較低的亞洲站點(diǎn)有pimo、sumk、usud以及yibl站,大洋洲站點(diǎn)有mqzg、nnor、solo以及sydn站．O/Slps方面,站點(diǎn)間年合格率差異較大,不足20%的監(jiān)測站有pimo、sumk、aukt、laut、nnor、park、pert、solo及sydn站．

按式(1)進(jìn)行篩選后,兩大洲中僅有pimo站全年平均質(zhì)量未達(dá)標(biāo),該站四項(xiàng)指標(biāo)的時間序列如圖10所示．

圖10 亞洲、大洋洲年平均數(shù)據(jù)質(zhì)量未達(dá)標(biāo)站點(diǎn)指標(biāo)時序

由圖10能夠看出pimo站兩項(xiàng)MP指標(biāo)隨時間出現(xiàn)上升趨勢,而其他兩項(xiàng)指標(biāo)呈下降狀態(tài),雖全年變化平穩(wěn),但整體處于較低水平,說明該站觀測數(shù)據(jù)持續(xù)受到不利因素影響,且影響結(jié)果逐漸累積．

2.4 南美洲、非洲及南極洲

南美洲、非洲及南極洲分別有10座、2座和6座監(jiān)測站上傳了觀測數(shù)據(jù)．南美洲國家站點(diǎn)基本均勻覆蓋整個大陸,而非洲只有位于南非的harb站和馬達(dá)加斯加的voim站全年完整地上傳了數(shù)據(jù),南極洲站點(diǎn)則集中于大陸沿海地區(qū),僅有amu2站建于大陸內(nèi)部,接近南極點(diǎn)．

三大洲完整上傳數(shù)據(jù)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量四項(xiàng)指標(biāo)年合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11、12所示．

圖11 南美洲、非洲及南極洲數(shù)據(jù)完整上傳站點(diǎn)MP1、MP2值年合格率

圖中左起前10站屬于南美洲,右起6站屬于南極洲,其余兩站為非洲站．三大洲多數(shù)測站MP值年合格率超過80%,僅少數(shù)站點(diǎn)存在異常,說明觀測受多徑影響較大,如南美洲的bogt和falk站、南極洲的mcm4、palm及sctb站．

圖12 南美洲、非洲及南極洲數(shù)據(jù)完整上傳點(diǎn)實(shí)收-應(yīng)收觀測比、觀測跳變比年合格率

三大洲多數(shù)站點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)收-應(yīng)收觀測比能夠保證年合格率超過80%,僅bogt站數(shù)據(jù)采集情況不穩(wěn)定,缺失嚴(yán)重．O/Slps方面,bogt、cord、falk、mcm4以及sctb站年合格率較低,不足60%,反映出觀測數(shù)據(jù)中含有較多跳變,數(shù)據(jù)質(zhì)量稍差．

使用式(1)對三大洲數(shù)據(jù)完整上傳的站點(diǎn)進(jìn)行評價,以上站點(diǎn)的平均合格率均超過閾值水平,能夠看出三大洲站點(diǎn)中雖有個別指標(biāo)合格率較低,但全年中仍有較多的合格觀測可以使用,使用時可綜合對比,選用合格時段數(shù)據(jù)．

3 結(jié)束語

本文利用TEQC軟件給出的四項(xiàng)數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo),結(jié)合新構(gòu)造判斷標(biāo)準(zhǔn)對全球范圍內(nèi)189座IGS監(jiān)測站2017年GPS原始觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),得到了相關(guān)站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價結(jié)果．

通過被測站點(diǎn)四項(xiàng)指標(biāo)年合格情況可知,整體上各站MP2與實(shí)收-應(yīng)收觀測比的年合格率要優(yōu)于其他兩項(xiàng),MP1與MP2雖為同類指標(biāo),但二者整體合格情況差異較明顯,分析認(rèn)為除觀測數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量影響外,該情況也可能與兩項(xiàng)MP值的閾值設(shè)置[18]有關(guān),其嚴(yán)格程度同樣會對統(tǒng)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生影響．根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)式(1),參與統(tǒng)計(jì)的測站中多數(shù)達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn),僅有少部分站點(diǎn),如bilb、lovj、mar6、pets、fair、nlib、wlsn以及pimo站全年平均合格率低于所設(shè)閾值,綜合數(shù)據(jù)質(zhì)量水平未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)．

本文分析結(jié)果可作為對全球IGS站點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量水平的初步認(rèn)識,可作為地學(xué)研究及工程應(yīng)用過程中站點(diǎn)選取的參考,能夠在一定程度上解決大范圍站點(diǎn)挑選時目的性缺乏的問題,提高站點(diǎn)數(shù)據(jù)取舍的指向性,同時,本文結(jié)果也可為各閾值的設(shè)定提供參考,輔助質(zhì)量評價指標(biāo)體系的不斷完善．