ZHBDCORS數據質量檢測與分析

王東閣，李秀龍，丁建勛

ZHBDCORS數據質量檢測與分析

王東閣，李秀龍，丁建勛

（珠海市測繪院，廣東 珠海 519000）

為了進一步提高衛星定位技術服務水平，以珠海市北斗連續運行衛星導航與位置服務系統（ZHBDCORS）為研究對象進行數據質量檢測與分析：對其10個基準站2014—2018年的觀測數據進行批量質量檢測；繪制多路徑效應時間序列圖；然后結合影像及周邊建筑的建設時間節點進行質量分析。結果表明：系統運行至今，多數站點數據質量指標仍優于國際全球衛星導航系統服務組織（IGS）站的數據質量經驗指標；部分站點由于設備遭遇雷擊及周圍環境變化，數據質量嚴重下降，更換新設備后，數據質量有明顯提升；但個別站點周邊遮擋嚴重，數據完整率差，應考慮遷站升級。分析結果可為ZHBDCORS站的維護和升級改造提供參考。

珠海市北斗連續運行衛星導航與位置服務系統（ZHBDCORS）；數據質量檢測；時間序列圖；天空圖

0 引言

城市建設，測繪先行。珠海市北斗連續運行衛星導航與位置服務系統（Zhuhai Beidou continuously operating reference stations, ZHBDCORS）是2014年以國家北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）正式提供服務為契機開展建設的，包括BDS、全球定位系統（global positioning system, GPS）及格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system, GLONASS）等多模連續運行參考站位置服務系統，是珠海市“十二五”基礎測繪規劃核心成果之一，也是珠海市現代測繪基準的核心設施[1-3]。ZHBDCORS主要面向社會提供厘米級實時動態定位即網絡實時動態差分法（real-time kinematic, RTK）公益服務，為珠海市建設和管理工作提供多坐標系框架下的衛星定位技術服務，大幅提高工作效率，保障各類基礎建設工作順利開展。

隨著城市的建設，基準站周邊環境已發生重大變化。結合周邊建筑建設的時間節點，以及基準站運維報告，對ZHBDCORS所積累的大量觀測數據，進行質量檢測與分析，量化儀器性能和周邊環境對數據質量的影響，為ZHBDCORS的維護和升級改造提供有力依據。

1 ZHBDCORS數據整理

由于客觀原因，ZHBDCORS觀測數據存在數據格式混亂、存儲路徑復雜、采樣率多樣、頭文件不規范和文件時段長度不一等情況，為方便數據科學管理以及高效質量分析，首先充分利用轉換、編輯及質量檢核（translation,editing and quality checking, TEQC）軟件、gfzrnx、convbin（RTKLIB模塊）、Converter（中海達儀器自有格式轉換工具）等數據轉換軟件將觀測文件批量標準化，統一整理為1天/個、采樣率5 s的標準觀測數據，且按RX2/RX3命名規則分別存儲為Rinex3.03/Rinex2.112個版本；然后借鑒國際全球衛星導航系統服務中心（international global navigation satellite system Service，IGS）數據存儲方式對ZHBDCORS數據進行分類整理，整理后的數據組織結構為年/年積日/RX格式。

2 檢測軟件與方案

TEQC(translation, editing, and quality checking)是由美國衛星導航系統與地球形變觀測研究大學聯合體（The University Navstar Consorium Facility, UNAVCO Facility）研制的全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）數據預處理和質量分析軟件[4]，質量檢核是TEQC軟件的核心，不僅可計算出數據利用率、電離層延遲、多路徑、周跳比、信噪比等指標值并生成結果文件，而且能夠利用QC2SKY/QCVIEW等軟件進行繪圖從而實現可視化，但在處理大量數據時略有不便。Pinot是一系列使用Python 語言開發的腳本[5]，主要用于對大量的GNSS 靜態數據進行批量處理，其中qualitycheck.py 腳本可調用TEQC批量進行 RINEX 數據質量分析，輸出觀測時長、信噪比、多路徑效應、周跳等質量檢查成果，方便分析長期大量的數據。

QC2SKY主要利用方位角/仰角在天空圖中圖形化TEQC的繪圖文件，直觀反映各項質量檢查結果隨衛星軌跡的變化[6]。支持繪制GPS L1和L2頻率上產生信噪比、多路徑、電離層延遲等天空圖。根據天空圖可直觀展示周邊環境對數據質量的影響。

由于TEQC及繪圖軟件QC2SKY目前只能對Rinex2.xx的觀測數據進行質量分析，且對BDS的數據質量分析評估功能尚不完善，故本文僅利用qualitycheck.py腳本對ZHBDCORS 2014—2018年的GPS/GLONASS觀測數據批量質量檢核。同時利用MATLAB軟件對數據檢核結果繪制時間序列圖，結合影像及周邊建筑建設時間節點，分析各連續運行參考站（continuously operating reference stations, CORS）站數據質量變化原因。

3 數據質量檢核結果及分析

IGS官網公布的數據質量檢測分析結果顯示[7]，超過半數的IGS站的每千歷元周跳數CRS年平均值小于5，2/3以上CSR平均值在10以下。對于多路徑效應而言，2/3的IGS站的L1頻段多路徑效應MP1平均值至小于0.5，而2/3的L2頻段多路徑效應MP2平均值小于0.75。觀測數據多路徑效應MP1、MP2的均方差（RMS）值，結合CSR，這3個指標能較好地反映出臺站的觀測環境以及觀測數據質量[8]。本文以IGS站的數據質量的經驗值作為指標[9-10]，限于篇幅，僅列出各CORS站多路徑效應MP1、多路徑效應MP2及每千歷元周跳數CSR年平均值，如表1所示。

表1 ZHBDCORS數據質量統計

續表1

注：1.FUSH站由于遷站，2018年數據缺失。2.BTHU站由于2016年遭遇雷擊，設備損壞，2017年數據缺失。3.JWGT站于2017年6月更換接收機，ZHGT站于2018年12月更換接收機。

由表1可得：①所有測站MP1、MP2和CSR年均值呈整體上升；②BTHU站由于雷擊影響，數據中斷，在基準站恢復后，MP1和MP2年均值增長，經調查，BTHU站周圍環境并未有較大變化，判斷這主要與基準站遭受雷擊，設備性能下降有關；③JWGT站于2017年6月更換接收機，更換前，MP1、MP2呈整體上升趨勢，更換后MP1、MP2年均值由2016年的0.51、0.60下降至2018年0.12、0.13，經調查，JWGT站周邊環境未有明顯變化，故判斷JWGT及其他基準站質量指標逐年上升的主要原因為設備老化，更換新儀器后數據質量明顯上升；④GUIS站在2017—2018年期間，數據質量下降明顯，經調查，周圍環境未發現明顯變化，參考JWGT站，主要原因為設備老化導致性能下降，應考慮升級新設備；⑤BOSH、ZHGT站在2015—2017年期間，MP1、MP2值有較明顯增長，且超過IGS數據質量經驗值。

為此進行如下調查分析：首先利用谷歌地球（Google Earth）查看基站周圍環境變化。BOSH站如圖1所示，基準站東北方向，由一片空地變為2棟高層建筑；ZHGT站如圖2所示，基準站東側出現高層建筑群，2個基準站觀測環境均出現劇烈變化。然后，由珠海市測繪院城鄉規劃監督測繪全生命周期智能服務平臺[11]得周邊建筑建設進度數據見（表2），結合TEQC批量檢核結果繪制的時間序列圖進行分析。

圖1 BOSH站周圍環境影像

圖2 ZHGT站周圍環境影像

表2 基準站周邊建筑測繪節點

由表2可得，BOSH站周邊建筑的正式建設由2015年7月開始，2016年3月完成2/3結構工程（《廣東省商品房預售管理條例》規定預售許可條件“七層以上（不含本數）的商品房預售項目，已完成三分之二結構工程”），由圖3也可看出MP1值在該時間段增長較快，與表2的建設時間節點一致；2016年8月之后，MP1由于周邊建筑安裝玻璃幕墻造成多路徑效應增強而再次增長。為使遮擋影響及多路徑效應表達更加直觀，選取2015年年積日第214天及2017年年積日第59天觀測數據利用TEQC采用完整模式（FULL）進行質量分析，且利用QC2SKY工具將MP1分析結果繪圖，如圖4(a)所示。2015年系統建立之初，受多路徑影響較小，受到影響的衛星高度角均低于10°，符合IGS站的數據質量經驗值，滿足建站要求。圖4(b)，即2017年初，BOSH站高度角0~40°范圍內的多路徑誤差明顯增大，在其西北方由于高層建筑遮擋出現較大缺口，與影像圖表達一致。鑒于該情況，已于2018年重新選址建立新站，BOSH站作為備份站運行而不組網。

圖3 2015年8月至2017年2月BOSH站MP1、 MP2變化趨勢

圖4 BOSH站MP1天空圖

ZHGT站周邊高層建筑群分布如圖2(b)所示，影響較大的建筑為1棟、2棟及3棟。由表2可得其主體建設分為2個階段：第一階段為建設距離基準站相對較遠的1棟、2棟，由2015年11月開始，2016年9月結構工程完成2/3，其影響如圖5所示，2016年1月至8月多路徑影響逐步增長；第二階段為建設影響較大的3棟，2017年8月其結構工程完成2/3，如圖5所示，在2016年下旬出現巨幅增長，建設進度與ZHGT站MP1、MP2時序圖吻合，MP1、MP2的年均值也由2015年的0.33、0.39增至2017年的1.15、1.47。選取ZHGT站2016年年積日第32天及2017年年積日第274天的數據將TEQC的MP1分析結果繪圖，如圖6所示。2016年初ZHGT站多路徑影響主要集中在高度角0~15°，2017年下旬時受多路徑影響的衛星高度角已超40°，由于建筑群的遮擋，在天空圖東側也出現巨大缺口，影響較為嚴重，數據完整率由97 %降為84 %。為此，ZHGT站于2018年11月更換接收機，更換后數據質量指標月均值如表3所示，數據質量提升明顯；但由于觀測環境客觀存在且無法改變，衛星遮擋嚴重，數據完整率差，因而ZHGT站應作遷站升級。

圖5 2016年1月至2017年11月ZHGT站MP1、MP2變化趨勢

圖6 ZHGT站MP1天空圖

表3 ZHGT站接收機更換前后數據質量月均值對比

4 結束語

本文利用Python腳本調用TEQC對ZHBDCORS 10個基準站觀測數據批量進行質量檢測，且繪制多路徑效應時間序列圖，結合影像及周邊建筑建設時間節點進行質量分析，為ZHBDCORS的維護和升級改造提供參考，結果如下：

1）系統建設運行初期，ZHBDCORS各基準站觀測數據質量整體較好，多路徑、周跳比等均優于IGS參考站數據質量指標；

2）運行至今，設備性能有所老化，所有測站MP1、MP2和CSR年均值呈整體上升，但多數站點數據質量指標仍優于IGS站的數據質量的經驗值；

3）部分站點數據質量嚴重下降，經分析，與設備遭遇雷擊及周圍環境變化等因素密切相關，更換新設備后，數據質量有明顯提升，但個別站點周邊遮擋嚴重，數據完整率差，應考慮遷站升級。

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[6] ROGGERO M. QC2SKY-TEQC skyplot[EB/OL]. (2017-02-21)[2019-04-24]. https: //sites. google.com/site/roggeroresearch/home/software/qc2sky.

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GNSS data quality checking and analysis of ZHBDCORS

WANG Dongge, LI Xiulong, DING Jianxun

（Zhuhai Surveying and Mapping Institute, Zhuhai, Guangdong 519000, China）

In order to further improve the service level of satellite positioning technology, taking ZHBDCORS as research objects, the paper carried out the data quality checking and analysis: the observation data of 10 reference stations from 2014 to 2018 were batch quality checking; and the time series plots of multi-path effect were mapped; then the quality analysis was performed by combining the satellite images with the construction progress of surrounding buildings. Results showed that: since operation of the system, the data quality of most stations could be still better than that of IGS experiential index; due to lightning strike and the changes of surrounding environment, the data quality of some base stations could be seriously reduced, while after equipment replacement, the quality would possibly get great improvement; however, some stations should consider relocation and upgrading because of serious perimeter occlusion and poor data integrity rate. The research result would provide a reference for the maintenance and upgrade of ZHBDCORS.

Zhuhai Beidou continuously operating reference stations (ZHBDCORS); translation, editing and quality checking (TEQC); time series plots; sky plot

P228

A

2095-4999(2019)04-0070-05

王東閣，李秀龍，丁建勛.ZHBDCORS數據質量檢測與分析[J].導航定位學報,2019,7(4): 70-74.（WANG Dongge, LI Xiulong, DING Jianxun.GNSS data quality checking and analysis of ZHBDCORS[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 70-74.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190413.

2019-05-05

王東閣（1990—），男，河南洛陽人，碩士，工程師，研究方向為精密工程測量及無縫定位。