山東半島北斗基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與評價

張珂，董傳勝

(山東省國土測繪院，山東 濟南 250102)

0 引言

山東省北斗導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)是全國首個基于北斗三號衛(wèi)星同時兼容美國GPS、俄羅斯GLONASS以及歐洲Galileo衛(wèi)星系統(tǒng)的省域運營級基準(zhǔn)站網(wǎng)[1]，它廣泛應(yīng)用于自然資源、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域。山東省北斗導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)具有全天候、連續(xù)、實時、高精度、高時空分辨率等特點，在山東半島氣象災(zāi)害預(yù)報中起到了重要作用[2]。山東半島氣象災(zāi)害預(yù)報借助北斗基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)，實時反演和監(jiān)測山東半島上空高精度水汽信息的四維時空分布，揭示山東半島極端天氣發(fā)生、發(fā)展和變化的演變特征與GNSS水汽之間的內(nèi)在聯(lián)系，能更好的開展實時高精度GNSS水汽用于極端天氣短臨預(yù)報及預(yù)警的可行性研究。擁有質(zhì)量良好的觀測數(shù)據(jù)是保證研究成果正確性的前提，本文使用數(shù)據(jù)缺失天數(shù)統(tǒng)計軟件與TEQC數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，運用數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)觀測時長、觀測值有效率、多路徑效應(yīng)、數(shù)據(jù)信噪比與周跳比等6個質(zhì)量指標(biāo)對山東半島地區(qū)31座北斗基準(zhǔn)站2021年全年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，同時分析影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素。

1 研究區(qū)概況

山東半島處于中國東部沿海,渤海與黃海之間,與遼東半島、朝鮮半島和日本列島隔海相望[3]。地形以低山丘陵為主,丘陵地帶平均海拔約200m,山東半島屬暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候,年均溫11～13℃;年降水量在650～850mm之間[4]。山東半島海岸線是我國海岸線的重要組成部分,海岸線突出曲折,多優(yōu)良海灣港口,資源豐富,對外運輸能力較強,有利于經(jīng)濟來往,發(fā)展沿海經(jīng)濟區(qū)[5]。山東半島有廣義和狹義之分,狹義的山東半島指膠萊河以東的膠東半島,廣義的山東半島是壽光小清河口和日照嵐山口與嵐山頭蘇魯交界處的繡針河口兩點連線以東的部分[6]。本文的研究區(qū)范圍以狹義的山東半島區(qū)域為主，該區(qū)域易受極端天氣影響，如2005年12月3日—4日、2008年12月4日—5日及2014年12月，研究區(qū)內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)3次極端天氣過程，給當(dāng)?shù)氐慕煌ā⑸鐣a(chǎn)和人們的生活造成嚴(yán)重影響。

2 研究方法

本文主要使用數(shù)據(jù)質(zhì)量評價軟件，運用相關(guān)的評價指標(biāo)，對山東半島地區(qū)31座北斗基準(zhǔn)站2021年全年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，同時分析影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素。

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價軟件

本文使用的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價軟件為TEQC數(shù)據(jù)處理軟件與數(shù)據(jù)缺失天數(shù)統(tǒng)計軟件。

2.1.1 TEQC數(shù)據(jù)處理軟件

TEQC數(shù)據(jù)處理軟件(Translation,Editing,and Quality checking)是由美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合研究開發(fā)，可以在其官網(wǎng)免費下載[7-8]。TEQC數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件主要功能有：數(shù)據(jù)記錄文件二進(jìn)制轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容編輯、數(shù)據(jù)驗證及其標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查[9-13]。本文主要應(yīng)用TEQC數(shù)據(jù)處理軟件的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查功能。

2.1.2 數(shù)據(jù)缺失天數(shù)統(tǒng)計軟件

數(shù)據(jù)缺失天數(shù)統(tǒng)計軟件是由自主研發(fā)，主要功能是對連續(xù)運行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)是否缺失進(jìn)行檢查。北斗基準(zhǔn)站應(yīng)每個年積日生成一個數(shù)據(jù)文件，存儲當(dāng)日的觀測數(shù)據(jù)。此軟件對每個北斗基準(zhǔn)站每天是否存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，如該站當(dāng)前年積日存有觀測數(shù)據(jù)，則輸出“1”，若沒有存儲當(dāng)日數(shù)據(jù)，則輸出“0”。

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo)

本文運用的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo)有：數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)觀測時長、數(shù)據(jù)觀測值有效率、數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)、數(shù)據(jù)周跳比與信噪比。

2.2.1 數(shù)據(jù)完整性

北斗連續(xù)運行基準(zhǔn)站應(yīng)保持穩(wěn)定運行，每天生成一個觀測數(shù)據(jù)，若發(fā)生接收機故障或停電等特殊情況，接收機可能無法記錄當(dāng)前年積日數(shù)據(jù)，造成基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)整日缺失，連續(xù)多日的基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)缺失不利于該站開展后期的科學(xué)研究。根據(jù)《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》，每個北斗基準(zhǔn)站應(yīng)確保年度連續(xù)運行時間不得低于330d。

2.2.2 數(shù)據(jù)觀測時長

北斗基準(zhǔn)站應(yīng)每個年積日生成一個數(shù)據(jù)文件，存儲當(dāng)日的觀測數(shù)據(jù)，當(dāng)日數(shù)據(jù)記錄時間從協(xié)調(diào)世界時(UTC)0時0分0秒開始，至協(xié)調(diào)世界時(UTC)23時59分59秒結(jié)束，數(shù)據(jù)觀測時長應(yīng)為24h，但受接收機及天線性能影響，會造成部分時間段數(shù)據(jù)記錄的缺失，根據(jù)《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)質(zhì)量評定規(guī)范》，每個北斗基準(zhǔn)站每天記錄的觀測時長不應(yīng)小于22.50h。

2.2.3 數(shù)據(jù)觀測值有效率

數(shù)據(jù)觀測值有效率是指數(shù)據(jù)記錄的該時段內(nèi)觀測數(shù)據(jù)有效歷元數(shù)與該時段內(nèi)理論歷元數(shù)的比值[14]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式見式(1)

(1)

式中：Have(i)為該時段內(nèi)觀測數(shù)據(jù)有效歷元數(shù)，Total(i)為該時段內(nèi)理論歷元數(shù)。數(shù)據(jù)觀測值有效率是數(shù)據(jù)質(zhì)量評定的一個綜合指標(biāo)，可以反映出接收機性能的優(yōu)劣以及觀測環(huán)境的好壞[15]。按照《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)質(zhì)量評定規(guī)范》，每個北斗基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)觀測值有效率應(yīng)在85%以上。

2.2.4 數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)

衛(wèi)星信號從20000km高空向地面發(fā)射,接收機天線接收的信號不但有直接從衛(wèi)星發(fā)射的信號,還有從反射體反射的間接信號,這兩種信號疊加被接收機接收后產(chǎn)生干涉從而影響碼和相位的量測,這種效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng),由此產(chǎn)生的定位誤差稱為多路徑誤差[16-18]。一般用MP1和MP2分別表示L1和L2波段的多路徑誤差，其是評價數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量的一項重要指標(biāo)[19]。按照《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)質(zhì)量評定規(guī)范》，每個北斗基準(zhǔn)站的多路徑效應(yīng)MP1值與MP2值均應(yīng)小于0.50m。

2.2.5 周跳比

接收機在接收衛(wèi)星信號過程中，衛(wèi)星信號會受到外部環(huán)境的遮擋，導(dǎo)致接收機不能連續(xù)跟蹤信號，也稱為信號失鎖，當(dāng)重新跟蹤到衛(wèi)星信號時，其載波相關(guān)觀測值的未知整周部分會發(fā)生變化，這種變化即為周跳[20-22]。在對北斗基準(zhǔn)站進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析時，常用觀測值個數(shù)與周跳次數(shù)的比值，即周跳比來衡量觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞。當(dāng)周跳比大于2000時，一般認(rèn)為觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

2.2.6 信噪比

信噪比(SNR)是指接收機或電子系統(tǒng)內(nèi)接收的載波信號強度與噪聲強度之間的比值[23-24]。SNR主要受天線增益參數(shù)、接收機中相關(guān)器的狀態(tài)、多路徑效應(yīng)三個方面的影響，信噪比越大，信號受到的影響越小，觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量就越好[25]。通過分析IGS站點數(shù)據(jù)信噪比，當(dāng)SNRL1數(shù)值大于42.00，SNRL2數(shù)值大于35.00時，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

3 研究區(qū)數(shù)據(jù)分析

3.1 各項指標(biāo)均值分析

使用數(shù)據(jù)缺失天數(shù)統(tǒng)計軟件與TEQC數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，對山東半島地區(qū)31座北斗導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站2021年全年觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)觀測時長、觀測值有效率、多路徑效應(yīng)、數(shù)據(jù)信噪比和周跳比統(tǒng)計見表1、圖1—圖5。

圖1 北斗基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計

圖2 北斗基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)觀測時長統(tǒng)計

圖3 北斗基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)觀測值有效率統(tǒng)計

圖4 北斗基準(zhǔn)站多路徑效應(yīng)MP1、MP2統(tǒng)計

圖5 北斗基準(zhǔn)站周跳比統(tǒng)計

表1 山東半島北斗基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計

數(shù)據(jù)完整性大于330d的站點有29個，占基準(zhǔn)站總數(shù)的93.55%，其中有22個站點的數(shù)據(jù)完整性為365d，即全年每天都有觀測數(shù)據(jù)，只有JIZH與SDZT兩個站點數(shù)據(jù)完整性小于330d，不滿足《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》的要求。數(shù)據(jù)每天平均采集時間大于22.50h的站點有27個，占基準(zhǔn)站總數(shù)的87.10%；周跳比大于2000的站點有29個，占基準(zhǔn)站總數(shù)的93.55%；多路徑效應(yīng)MP1值小于0.50的站點有29個，占基準(zhǔn)站總數(shù)的93.55%；多路徑效應(yīng)MP2值小于0.50的站點有29個，占基準(zhǔn)站總數(shù)的93.55%；觀測值有效率大于85%的站點有29個，占基準(zhǔn)站總數(shù)的93.55%；RZRS和ZNRS站點的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，這兩個站點MP1與MP2值均大于0.50、周跳比小于2000且觀測值有效率小于85%；所有站點的SN1值均大于42.00，SN2值均大于35.00。

3.2 特殊站點分析

3.2.1 觀測時長異常站點年時間序列分析

SDPL、LOKO、HJBH、LJZK 4個北斗基準(zhǔn)站，觀測數(shù)據(jù)時長的平均值小于22.50h，將以上4個站點單日數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查結(jié)果進(jìn)行整年時間序列分析。4個站點觀測數(shù)據(jù)時長、數(shù)據(jù)可利用率在2021年年積日024～030d(GPS周2142周)和年積日325～331d(GPS周2185周)出現(xiàn)斷崖式下降(圖6)，但同期4個站點的MP1與MP2值每天差別不大，說明站點觀測環(huán)境未發(fā)生大的改變，造成數(shù)據(jù)質(zhì)量突然變化的原因可能是接收機板卡固件存在故障，造成數(shù)據(jù)接收異常。上述4個站點，將有問題的2周數(shù)據(jù)剔除后，統(tǒng)計結(jié)果如表2，2個問題GPS周數(shù)據(jù)剔除后，4個北斗基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)觀測時長平均值由22.31h增加到22.80h，滿足《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)質(zhì)量評定規(guī)范》中每天觀測時長大于22.50h的要求，同時數(shù)據(jù)可利用率與周跳比也有一定質(zhì)量的提高。在進(jìn)行后續(xù)研究時，應(yīng)剔除GPS周2142周和2185周數(shù)據(jù)。

表2 問題周數(shù)據(jù)剔除前后HJBH、LJZK、LOKO、SDPL站點數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計

3.2.2 多路徑效應(yīng)、觀測值有效率及周跳比異常站點年時間序列分析

RZRS、ZNRS 2個北斗基準(zhǔn)站，數(shù)據(jù)觀測值有效率均值小于85%，周跳比均值小于2000，且多路徑效應(yīng)MP1值與MP2值均大于0.50m。對這2個站點單日數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查結(jié)果進(jìn)行整年時間序列分析。RZRS站點各項數(shù)據(jù)評價指標(biāo)無周期性規(guī)律，站點每天的數(shù)據(jù)可利用率都在80%以下、MP1值基本都大于0.50，MP2值均大于0.50，周跳比都在3500以下，結(jié)合外業(yè)巡檢的環(huán)境照片，站點周圍高樓較多，觀測環(huán)境很差，致使該站點數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，不滿足《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)質(zhì)量評定規(guī)范》中關(guān)于數(shù)據(jù)觀測值有效率與多路徑效應(yīng)的相關(guān)規(guī)定，故在進(jìn)行后續(xù)研究時，將該站點舍棄。ZNRS站點各項數(shù)據(jù)評價指標(biāo)全年可分成2個階段，該站點在年積日291d進(jìn)行了環(huán)境治理，砍伐了周圍的高樹。在年積日291d之前，該站點由于周圍有高樹遮擋，各項數(shù)據(jù)評價指標(biāo)呈現(xiàn)出周期性變化，特別是MP1與MP2值尤為明顯，在冬季時，樹木的樹葉掉落，多路徑效應(yīng)值處在較低水平，隨著天氣轉(zhuǎn)暖，樹木枝葉茂盛，在夏季站點多路徑效應(yīng)值顯著增加，并一直保持較高水準(zhǔn)，這段時間中，數(shù)據(jù)觀測值有效率及周跳比也有相同變化趨勢，說明站點周圍樹木枝葉的遮擋對該站點數(shù)據(jù)質(zhì)量影響較大。在年積日291d進(jìn)行砍樹后，該站點數(shù)據(jù)觀測值有效率雖然有所上升，但仍處于85%以下，MP1、MP2值較之前明顯下降，但仍都高于0.50，綜合考慮，雖然ZNRS站點進(jìn)行了環(huán)境整理，但該點位數(shù)據(jù)質(zhì)量仍然較差，不滿足《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)質(zhì)量評定規(guī)范》中關(guān)于數(shù)據(jù)觀測值有效率與多路徑效應(yīng)的相關(guān)規(guī)定，所以在進(jìn)行后續(xù)研究時，將該站點舍棄。

3.2.3 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提升站點年時間序列分析

在例行巡檢時，發(fā)現(xiàn)WEIH與SDLA 2個北斗基準(zhǔn)站站點觀測環(huán)境良好，但數(shù)據(jù)觀測值有效率及周跳比指標(biāo)較差，懷疑接收機異常，所以在年積日第158d、160d分別對WEIH站和SDLA站更換了接收機，同時對站點周圍環(huán)境進(jìn)行了清理。如圖7及表3所示，接收機更換前，2個北斗基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)觀測值有效率分別僅為83.24%與82.32%，不符合《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)質(zhì)量評定規(guī)范》中的規(guī)定，更換后，站點的數(shù)據(jù)可利用率分別達(dá)到97.40%與96.94%，符合《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)質(zhì)量評定規(guī)范》要求。2個站點的周跳比也有顯著提升，其中WEIH站點從更換前的18369增加到23335，提升27.04%，SDLA周跳比增幅更加明顯，從2686增加到了23225，提升了764.72%；同時，2個站點的多路徑效應(yīng)值指標(biāo)也略有提升。在進(jìn)行研究時，分別將WEIH站點年積日158d前數(shù)據(jù)和SDLA站點年積日160d前數(shù)據(jù)剔除。

表3 更換接收機前后WEIH、SDLA站點數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計

圖7 WEIH、SDLA站點數(shù)據(jù)觀測觀測值有效率、多路徑效應(yīng)MP1、MP2、周跳比時間序列

3.2.4 缺失天數(shù)異常站點分析

JIZH站點全年共收集315d數(shù)據(jù)，缺失的50d數(shù)據(jù)集中在1月—2月，因為JIZH站點天饋線電纜因工程施工被挖斷，期間膠州因為存在新冠疫情，進(jìn)行封控管理，所以未能及時修復(fù)，膠州于3月初解封，解封后第一時間對該站點天饋線電纜進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后，該站點運行穩(wěn)定，此后未再發(fā)生站點數(shù)據(jù)缺失情況。SDZT站點全年共收集326d數(shù)據(jù)，共缺失39d數(shù)據(jù)，缺失的數(shù)據(jù)主要集中在2個階段，分別為年積日197～212d與年積日317～335d，第1階段原因為齋堂島全島電纜更換，第2階段原因為站點UPS設(shè)備損壞。除去不可抗力因素造成的數(shù)據(jù)缺失，2個站點數(shù)據(jù)完整性均符合《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求。

4 結(jié)論

本文對山東半島地區(qū)31座北斗連續(xù)運行基準(zhǔn)站2021年全年數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)觀測時長、觀測值有效率、多路徑效應(yīng)、數(shù)據(jù)信噪比與周跳比6個質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行評價，經(jīng)綜合分析，針對本文的實驗結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)大部分站點觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，數(shù)據(jù)完整性大于330d，數(shù)據(jù)觀測時長大于22.50h，觀測值有效率大于85%，多路徑效應(yīng)MP1值、MP2值小于0.50m，周跳比大于2000，符合后續(xù)研究要求；ZNRS與RZRS站點觀測環(huán)境差，觀測值有效率、周跳比及多路徑效應(yīng)MP1值、MP2值不符合相關(guān)規(guī)范要求，在后續(xù)研究中，將上述2個站點刪除；SDPL、LOKO、HJBH、LJZK4個站點在GPS周2142周和2185周出現(xiàn)接收機故障，其他時間數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，故后續(xù)研究時，將有問題的2個GPS周數(shù)據(jù)剔除；WEIH與SDLA站點由于接收機與觀測環(huán)境共同影響，造成前期觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不符合相關(guān)規(guī)范要求，在更換接收機和整治環(huán)境后，上述2個站點數(shù)據(jù)質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)范要求，后續(xù)研究時，應(yīng)剔除更換接收機之前的數(shù)據(jù)。

(2)加強數(shù)據(jù)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測。應(yīng)及時對各個北斗基準(zhǔn)站所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，當(dāng)北斗基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量出現(xiàn)異常變動時，應(yīng)快速反應(yīng)，分析產(chǎn)生異常波動的原因，及時排除儀器故障，如更換接收機或升級接收機固件，保障站點數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

(3)適時遷移站點。外界觀測環(huán)境是影響北斗基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量的重要因素，ZNRS與RZRS站點因城市發(fā)展，致使點位周圍高樓林立，站點觀測環(huán)境惡劣，造成該點位數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量較差，一直不符合相關(guān)規(guī)范要求，應(yīng)考慮站點遷址。