基于TEQC的三峽庫區GNSS控制網數據質量評估

楊婷婷 黃 童

(長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘測局, 湖北 宜昌 443003)

0 引言

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)控制網中觀測數據質量的好壞是進行精確定位的關鍵,也是下一步進行高精度水道地形測量前最重要的節點。而要得到高質量的控制點坐標成果,在對控制網基線解算前,必須進行數據的質量評估工作。尤其是三峽庫區,寬谷與峽谷相間,植被覆蓋率較高,衛星信號極易受山谷、植被遮擋而失鎖。而通過對數據質量評估,可以快速評價分析數據質量,及時發現多路徑、電離層延遲等帶來的影響,進而分析站點位置選擇是否合理等,避免了由于觀測數據質量較差所帶來的后期內外業重復的工作量。

TEQC(Translation Editing and Quality Checking)軟件可以通過對GNSS各種觀測值的組合計算多路徑效應、電離層延遲變化率[1]及其他影響因素來對數據進行質量檢核。國內外針對TEQC軟件的數據質量檢核功能做過相關探討,但目前沒有相關文獻針對三峽庫區這一特殊地理位置進行研究與分析。本文結合TEQC軟件,主要做了3個方面的工作：(1)提出了5個數據質量評估指標,通過5個指標,具體分析了三峽庫區某一時段的數據質量;(2)采用TEQC+QCVIEW模式對質量差的數據進行預處理并與原數據對比分析;(3)為確保預處理數據的準確與可信度,制定一套數據后處理方案：分別對原始數據和經過預處理后的數據采用后處理軟件進行基線解算與網平差,分析處理前后數據在X，Y，Z3個方向上精度變化。

1 5個數據質量評估指標

GNSS觀測數據的質量評估指標一般可分為3類：反映誤差影響情況的指標、反映觀測數據完整性的指標以及與衛星的位置有關的指標[2-3]。其中反映誤差影響情況的指標主要有：接收機鐘差、信噪比(Singnal-to-Noise Ratio,SNR)、多路徑效應、每周跳觀測值個數(o/slps)等。與衛星位置有關的指標主要包括：衛星方位角、高度角、幾何分布狀況等。

本文針對目前GNSS數據質量評估存在的問題,綜合考慮三峽庫區多山多峽谷的地理條件,同時參考大量相關文獻,提出采用5個指標對GNSS測站數據質量進行評估：L1偽距多路徑效應(Mp1)、L2偽距多路徑效應(Mp2)[4]、L1載波信噪比(SN1)、L2載波信噪比(SN2)、o/slps(每周跳觀測數據個數)。

1.1 多路徑效應

多路徑效應是衛星、GNSS信號接收機以及接收機附近的障礙物三者之間所構成的某種相對空間關系的環境下產生的合成信號相對于直達GNSS接收機的信號的一種延遲現象。多路徑效應在影響數據質量方面是最為復雜的。根據規范及一般經驗原則：當Mp1<0.50,Mp2<0.50時,認為該測站的多路徑效應所帶來的誤差不會對系統的穩定性產生影響[3]。

1.2 信噪比分析

SNR即為信號與噪聲的比,其主要受天線增益參數、接收機中相關器的狀態和多路徑效應3個方面的影響。所以,通過信噪比評價GNSS接收機的品質以及觀測數據質量質好壞[5-6]。根據國際GNSS服務(International GNSS Service,IGS)的數據檢測經驗值設定L1載波的信噪比>4,設定L2載波的信噪比>6。

1.3 周跳分析

周跳是由于周圍環境遮擋或者其他影響因素導致的GNSS衛星信號失鎖、進而載波相位中整周計數發生改變。周跳的探測與評定可通過電離層殘差法進行分析,電離層延遲隨時間變化率的導數得出。TEQC可逐個歷元計算電離層變化率,并通過監控該值的大小來發現周跳,當變化率大于400 cm/min時,則判定該觀測歷元發生周跳。在結果文件中,以每周跳觀測值個數(o/slps)表示觀測值和周跳比,根據經驗值一般設定其閾值為670,大于670表明數據質量較好,不會對系統的穩定運行產生影響[7-9]。

2 數據質量評估實例分析

以2016年三峽庫區控制測量中10月29日第1時段8個測站觀測數據為例,對8個測站觀測數據進行質量檢核,提取8個測站的5個質量評估指標,如表1所示。

表1 三峽庫區8個測站質量評估指標

由表1得到,8個測站的Mp1最大值為0.37,最小為0.28,Mp2最大為0.52,最小為0.28,Mp1與Mp2最大值均出現在5382測站,Mp2超出了小于0.50的要求,具體分析該測站環境,在距該測站約48 m處有1棵20多米大樹,考慮該站可能由于樹木遮擋產生了較嚴重多路徑效應,對測站數據質量影響較大,所以必須對數據進行預處理或者考慮更改測站位置。其他7個測站多路徑分析結果均符合要求,說明7個測站的觀測環境較好。

分析8個測站的觀測值和周跳比o/slps,最大值為5763測站,說明該站周跳影響最小,最小的為5382測站,o/slps為1 402,但符合o/slps>670的要求,說明周跳不會對該測站的穩定運行產生影響。

具體分析信噪比,在衛星高度角為15°～20°時,8個測站的信噪比SN1與SN2值較為均勻,SN1均在4～6之間,SN2均在6～9之間,均符合經驗值SN1>4,SN2>6的要求。信噪比與衛星高度角的大小密切相關,對此，本文做了如下分析研究。

從8個測站的匯總文件提取信噪比SN1與SN2隨高度角的變化值,如圖1～2所示,從圖中可看出，當衛星高度角為5°～10°時,大部分測站的信噪比SN1與SN2為0,測站8186的信噪比SN1與SN2分別為2.50與4.50,說明在高度角為5°～10°時,三峽庫區大部分測站的衛星信號受遮擋嚴重,而8186測站由于地勢較高，無障礙物遮擋,觀測環境較好。隨著衛星高度角的增大,8個測站的信噪比也逐漸增大,當衛星高度角達到15°～20°后,信噪比趨于平緩,且8個測站的信噪比相差不大,SN1值均在7左右,SN2均在8～9左右。當然,并不是高度角設置越高越好,要同時考慮到可觀測衛星個數,在三峽庫區GNSS觀測中,高度角設置為15°～20°為宜。

圖1 信噪比SN1隨高度角變化折線圖

圖2 信噪比SN2隨高度角變化折線圖

3 TEQC+QCVIEW模式數據處理分析

QCVIEW可對TEQC生成的文件進行可視化分析,可以更加直觀反映多路徑及信噪比等隨時間的變化[10-11],同時結合TEQC對誤差較大的歷元或衛星進行剔除。針對5382測站,其多路徑誤差Mp2>0.5,現對其L2多路徑文件5382.Mp2分析處理。運行QCVIEW 5382.Mp2命令,針對每一顆衛星的多路徑誤差進行分析,如圖3(a)、3(c)所示,發現GNSS接收機從2 213歷元開始接收GPS 3號衛星信號,在2 062歷元開始接收GPS 21號衛星信號。兩顆衛星信號同樣都是在開始與結束時多路徑嚴重,GPS 3號衛星在2 213～2 219歷元、2 407～2 413歷元,21號衛星在2 062～2 083歷元、2 262～2 272、2 314～2 320歷元多路徑誤差較大,運行TEQC刪除誤差較大的歷元數據,經處理后多路徑誤差如圖3(b)、3(d)所示,圖片表明通過數據預處理后,誤差較大的歷元已經剔除。

(a)預處理前SV03衛星

對處理后的觀測文件再次進行質量檢核,提取5個質量評估指標,與數據處理前的5個質量評估指標對比,如表2所示,經過數據處理后,Mp1由0.37降低至0.33,Mp2由0.52降至0.42,其他3個數據質量指標也得到提高,已滿足5個質量評估指標要求。

表2 處理前后5382測站5個質量評價指標對比

綜合分析,5382測站附近有樹木,多路徑效應較其他測站略嚴重,但經預處理后,5個數據質量評估指標已滿足要求。其他7個測站數據質量較好,附近沒有大型的反射平面,無線電發射臺、高壓線等電磁干擾,說明該控制網站點選取合理,觀測環境較為理想,數據可被充分利用。

此外,如果測站數據經過預處理后,質量仍達不到要求,說明周圍環境對測站的影響較大,應考慮更改測站位置。

4 數據后處理方案

為確保TEQC+QCVIEW模式對數據預處理的可信度,制定一套后處理方案。方案一：對原始觀測數據采用商用軟件進行基線解算與網平差;方案二：對經過預處理后的數據采用同樣方法進行基線解算與網平差,最后對X，Y，Z三個方向的數據進行精度統計,如圖4所示。由圖4可知,經過數據處理后，8個測站在X方向的點位精度得到了提高,尤其是1972測站,X方向點位精度由原來的0.68 cm提高至0.57 cm。同樣地,由圖4(b)～(c)可知,Y、Z兩個方向的精度也得到相應的提高,說明采用TEQC+QCVIEW模式進行數據預處理是可行的。

(a)X方向

5 結束語

GNSS的不斷發展勢必要求數據質量的提高。針對三峽庫區特有的地形條件,利用TEQC軟件對三峽庫區GNSS平面控制網某一時段的8個測站的數據質量進行檢核,提出采用5個質量評估指標對數據質量進行評估分析,并對評估結果中質量較差的數據相應的歷元采用TEQC+QCVIEW模式進行預處理,最后通過后處理軟件對數據進行基線解算、網平差,發現得到的數據的點位精度優于未經處理的結果,說明這種方法是可行的。通過該方法,既可以發現觀測質量較差的數據,及時查明周圍是否有較大的反射平面或強電磁干擾,避免了后期不必要的返工,也為下一步進行基線解算、網平差提供了高質量的觀測數據。但針對三峽庫區的多路徑效應,一味地采用TEQC的切割功能將信號差的數據刪除會使得數據使用率降低,通過增加衛星截止高度角的方法,會屏蔽掉低高度角的衛星信號。所以,針對三峽庫區的特殊地理環境,如何通過更加有效的方式來減弱多路徑效應將成為今后研究方向。