南京CORS數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法研究

高奮生，劉 穎，賈 涼，鄧曉紅，許超鈐，劉 晨

（1.南京市城市規(guī)劃編制研究中心，南京 210029；2.南京市規(guī)劃和自然資源局，南京 210029；3.南京市城市地下管線(xiàn)數(shù)字化管理中心，南京 210029；4.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢430072）

目前，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）包括中國(guó)北斗系統(tǒng)、美國(guó)GPS系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS系統(tǒng)，以及正在建設(shè)中的歐盟Galileo系統(tǒng)。研究表明GPS、GLONASS、Galileo、BDS組合下的多頻多模的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)將可以大幅提高CORS服務(wù)的性能[1]。

南京市規(guī)劃和自然資源局現(xiàn)有CORS站23個(gè)，其中原國(guó)土CORS于2007年建成，共包括14個(gè)CORS站點(diǎn)，原規(guī)劃CORS于2009年建成，共有9個(gè)CORS站點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文采集了2019年1月至11月共計(jì)11個(gè)月的數(shù)據(jù)，每個(gè)月前三日的觀測(cè)數(shù)據(jù)用于測(cè)試評(píng)估。為滿(mǎn)足23個(gè)站點(diǎn)共同組網(wǎng)的需要，本項(xiàng)目同時(shí)采集原規(guī)劃相應(yīng)日期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并且將相應(yīng)日期的廣播星歷文件和精密星歷文件一并收集。原規(guī)劃9個(gè)基準(zhǔn)站和原國(guó)土14個(gè)基準(zhǔn)站均提供1s采樣率的觀測(cè)數(shù)據(jù)，為橫向?qū)Ρ?0個(gè)基準(zhǔn)站的觀測(cè)質(zhì)量，統(tǒng)一采用采樣間隔為1s的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法

本文采用TEQC軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，主要指標(biāo)涉及數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、信噪比和周跳。針對(duì)上述指標(biāo)用于評(píng)估基準(zhǔn)站的可靠性[2-6]。

2.1 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率計(jì)算公式如下：

在指定截止高度角后，在當(dāng)前測(cè)站利用廣播星歷計(jì)算的可見(jiàn)衛(wèi)星的應(yīng)收觀測(cè)值個(gè)數(shù)為應(yīng)接收的理論數(shù)據(jù)；而實(shí)際接收數(shù)據(jù)按接收機(jī)的實(shí)際個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)。該指標(biāo)可以描述接收機(jī)在不同高度截止角范圍內(nèi)的信號(hào)跟蹤情況。

2.2 多路徑效應(yīng)

隨著GNSS理論和應(yīng)用的不斷深入，許多影響信號(hào)觀測(cè)的誤差源（例如電離層誤差、對(duì)流程誤差、天線(xiàn)相位中心誤差等）正在減少，剩下的多路徑和遮擋成為重要的，有時(shí)甚至是支配性的誤差源。在理想情況下，GNSS接收機(jī)只接收來(lái)自衛(wèi)星發(fā)射的直接信號(hào)，而在現(xiàn)實(shí)的觀測(cè)條件下，除了接收來(lái)自衛(wèi)星直接發(fā)射的信號(hào)外，還會(huì)接收到同一信號(hào)經(jīng)接收機(jī)周?chē)矬w的反射而產(chǎn)生多個(gè)路徑的反射回來(lái)的信號(hào)，實(shí)際量測(cè)到的GNSS信號(hào)將是直接接收到的信號(hào)與反射回來(lái)的信號(hào)的迭加結(jié)果，這一現(xiàn)象叫多路徑效應(yīng)。

多路徑具有周期性。多路徑的周期性主要受觀測(cè)環(huán)境的影響，即與多路徑的反射角度、反射物距離等有關(guān)。載波多路徑和偽距多路徑的影響量級(jí)不同，載波多路徑為cm級(jí)甚至mm級(jí)，而偽距多路徑影響相對(duì)較大，所以下式主要反映偽距多路徑的誤差大小。以BDS的B1和B2為例：

對(duì)于B1頻點(diǎn)：

對(duì)于B2頻點(diǎn)：

式中，MP1、MP2分別為B1和B2頻點(diǎn)的多路徑；P1、P2、B1、B2、f1和f2分別為偽距、載波觀測(cè)值和對(duì)應(yīng)的頻率。

2.3 觀測(cè)值噪聲

信噪比（SNR）是衡量GNSS系統(tǒng)整體性能的一個(gè)重要指標(biāo)，反映載波信號(hào)和噪聲信號(hào)的比重，不同的傳輸頻率有不同的信噪比， GPS系統(tǒng)中L1、L2兩個(gè)載波上的信噪比分別為SN1、SN2，值越大，信號(hào)質(zhì)量越好。計(jì)算公式如下：

式中，S1、S2和N1、N2分別為GPS系統(tǒng)的信號(hào)功率和噪聲功率。

2.2 周 跳

周跳（cycle slips）是指在載波相位測(cè)量中，由于衛(wèi)星信號(hào)失鎖而導(dǎo)致的整周計(jì)數(shù)跳變或中斷現(xiàn)象。周跳的發(fā)生主要與觀測(cè)環(huán)境、電離層與多路徑誤差、電磁干擾等能夠引起衛(wèi)星信號(hào)中斷的因素有關(guān)，是反映載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。在TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件中采用觀測(cè)值和周跳的比值來(lái)反映觀測(cè)值周跳是否嚴(yán)重，其計(jì)算公式如下：

式中，o/slps為周跳比；num_all表示觀測(cè)值數(shù)量；num_skip表示周跳數(shù)量。由上式可知，o/slps越小，則周跳越明顯。一般情況下，o/slps應(yīng)大于2 000。

3 南京CORS數(shù)據(jù)質(zhì)量實(shí)際分析

利用NJCORS系統(tǒng)的23個(gè)站2019年1月至11月共計(jì)11個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，測(cè)試結(jié)果如圖1～9所示，涉及數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差等指標(biāo)。為保證圖片輸出的直觀清晰，對(duì)采樣時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，使時(shí)間間隔一致，時(shí)間軸不嚴(yán)格具體到采樣日期。

如圖1所示，NJCORS各測(cè)站的數(shù)據(jù)完整率均在97%以上，均滿(mǎn)足要求。由圖2和圖3可知，NJCORS各基準(zhǔn)站的MP1和MP2均滿(mǎn)足要求。同樣，圖4和圖5可反映NJCORS各基準(zhǔn)站的SN1和SN2均滿(mǎn)足要求。圖6是NJCORS各測(cè)站的周跳比情況，由圖6a可知，測(cè)站BTLU周跳比最高，即周跳現(xiàn)象最少。同理，圖6b反映出NJGC周跳現(xiàn)象最少。由圖6c、6d可知，NJHS，NJMJ，NJTS和NJXG周跳現(xiàn)象相對(duì)于其他測(cè)站較少測(cè)站NJLH存在10%的觀測(cè)數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)的情況。

圖2 NJCORS各基準(zhǔn)站的MP1

圖5 NJCORS各基準(zhǔn)站的SN2

圖6 NJCORS各基準(zhǔn)站的周跳比

圖7 NJCORS各基準(zhǔn)站周跳比超過(guò)2 000的觀測(cè)日期占總采樣日期的百分比

圖8 NJCORS各基準(zhǔn)站周跳比超過(guò)2 000的觀測(cè)日期占總采樣日期的百分比

圖9 NJCORS各基準(zhǔn)站周跳比超過(guò)2 000的觀測(cè)日期占總采樣日期的百分比

4 結(jié) 語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)全市位置服務(wù)的實(shí)時(shí)化、精準(zhǔn)化、便捷化，推動(dòng)管理體制機(jī)制完善，打破信息孤島，共享信息資源，創(chuàng)新服務(wù)模式，加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管。對(duì)于NJCORS各基準(zhǔn)站2019年的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，從各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)看，絕大多數(shù)測(cè)站均滿(mǎn)足要求。但是，測(cè)站NJJH的觀測(cè)數(shù)據(jù)存在明顯的周跳現(xiàn)象。因此，為了保證NJCORS整體觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，應(yīng)全面檢查NJJH周?chē)h(huán)境，重新評(píng)估該地址建站的合理性。