基于TEQC检测威宁GPS站的数据质量

2014-11-08廖留峰王晓英

中低纬山地气象 2014年5期

廖留峰，刘博，王晓英

(1. 贵州省山地环境气候研究所，贵州贵阳 550002;2. 宁夏自治州固原市气象局，宁夏固原 756000;3. 南京信息工程大学，江苏南京 210000)

1 引言

近年来随着GPS 气象学的广泛应用，GPS 观测网逐渐完善，因此对GPS 观测数据进行质量检查，是GPS 数据处理过程中一个非常重要的环节。目前，GPS 数据质量分析主要采用由UNAVCO 组织开发的应用软件—TEQC，TEQC 软件主要包含3个模块，分别为GPS 数据格式转换模块，RINEX 数据编辑模块，数据质量检核模块，这3个模块相互独立，互不影响［1，2］。质量检查模块是TEQC 的核心，主要是利用伪距观测值和载波相位观测值的线性组合对静态或动态双频GPS 和GLONASS 数据进行检核，可用于检查双频GPS 接收机的动态和静态数据的质量［3］，而观测数据的质量也能够从一定程度上反映GPS 天线或GPS 接收机的性能。

2 材料和方法

根据是否利用导航文件，TEQC 质量检查有2种模式:lite 模式和full 模式［2，4］。lite 模式为简单模式，只需要GPS 观测数据中的O 文件，其执行命令为:teqc +qc source. ＊＊o，该模式生成7个结果文件:* . ＊＊S，* . iod，* . ion，* . mp1，* . mp2，* . sn1，* . sn2。full 模式需要GPS 观测数据中的观测O 文件和导航星历N 文件，执行命令为:teqc+qc source. ＊＊o，full 模式生成9个结果文件，除lite 模式生成的7个文件外，多生成* . azi 和* . ele文件。表1 为9个结果文件的描述说明［5］。

表1 TEQC 质量检查生成的结果文件描述

数据质量分析结果文件是S 文件。S 文件包含有短报告和长报告两个部分，短报告部分含有一个卫星绘制图和一个总结列表;长报告部分给出的是系统设置参数的情况和具体的分析内容。在S 文件中，可以查看数据的采集时间长度、数据采样率、观测期间多路径影响(MP1、MP2)、数据利用率以及数据周跳等［6］。其中多路径影响(MP1、MP2)即外界其他信号对接收机在接收L1 和L2 时的干扰强度，周跳为接收机在失去卫星信号后导致整周计数的跳变或中断［8］。观测数据与周跳数的比值为o/slps，通常用CSR 来描述(CSR =1000/(o/slps)［5］。GPS 观测站点的观测环境、观测数据的质量反映在MP1、MP2 和CSR 值上。

3 结果与分析

威宁位于贵州省西北部，海拔高度为2 238 m，是贵州省内目前唯一的一个GPS 观测站，GPS 观测数据的起始时间为2011年8月4日16 时，数据采样率为1 s，该站点每小时产生一个数据观测文件(后缀为. YYO)。为了使得一个文件中具有较长的数据长度，首先将1 d 中24 h(00:00—23:59)的数据合并为日观测数据，以便于对GPS 观测数据进行逐日的质量检查。

3.1 威宁站GPS 数据质量分析结果

3.1.1 GPS 数据质量统计表基于TEQC 应用软件，对2011年8月5日—2012年10月14日间的GPS 数据进行了质量分析。提取每日(S 文件)中描述数据质量的各个变量，如表2 所示的为2012年1月5—15日期间的各个变量的统计信息。表中，第6 列为基于数据量计算出的数据利用率，数据利用率的大小反应了地面接收机采集数据的能力，其数值越大越好;第7 列和第8 列分别为在L1 和L2 频率上的多路径影响值，分别记为mp1 和mp2，mp1和mp2 的界限参考值为0.5［7］，其值越小说明接收机抵抗外界其余信号干扰的能力越强;第9 列为CSR 值，反映了数据的周跳情况，从CSR 比值可以看出数据的连续性，参考值为5［5］，其值越小说明出现的跳变或中断越少，数据连续性越好。

表2 威宁GPS 站观测数据的质量统计表(2012年1月5—15日)

从表2 中可以看出，2012年1月5—15日的观测数据十分稳定，其观测时间均为24 h，观测到的总卫星数均为27 或28个，应观测的数据集远大于实际采集的数据，数据的利用率仅为43%左右，L1 频率上的多路径影响(mp1)和L2 频率上的多路径影响(mp2)分别为0.23 和0.26，观测数据与周跳数的比值(o/slps)在0.003 附近波动。

为评价威宁站GPS 数据的整体质量，对表2 中描述数据质量的各个变量进行时间上的分析(2011年8月5日—2012年10月15日)。

图1 GPS 地面接收站的采集数据分布图

3.1.2 威宁GPS 数据采集量和利用率图1 为2011年8月5日—2012年10月15日期间在每个时间历元上可采集数据量和实际采集到数据量的时间分布，可以看出，威宁GPS 观测站的数据十分平稳，应采集的数据量和实际采集的数据量波动均较小，数据的稳定性较好。只有在2011年9月17日和2012年3月25—31日期间，由于出现较多时次的缺测，观测时间长度很小，数据采集量出现连续的低值。图中实线为威宁GPS 站在每一个时间历元中应采集的数据量，基本上为67 800 左右，虚线为实际观测到的数据量，基本上为28 800 左右。也即威宁GPS 地面接收机每日实际采集的数据量远远小于应该采集的数据量。

常用数据的利用率来表述采集数据的质量，计算公式如公式1 所示。

根据公式计算得出，除去缺测时次较多的8 d，威宁站的数据利用率基本位于40%～45%之间，在所有观测日中，83.5%的数据利用率为43%，数据利用率较低。

3.1.3 GPS 地面接收机的抗多路径效应能力分析

图2 为GPS 地面接收机每个时刻的抗多路径效应(抗干扰)能力值:实线(mp1)为L1 频率上的多路径影响值，也就是外界其他信号对地面接收机接收L1 频率时的干扰值，其值位于0.22～0.28 之间，其中绝大部分值为0.23，远小于0.5 的参考值，说明接收机在接收L1 频率波段时抗外界其他信号干扰的能力较强;mp2 的值在0.25～0.31 之间，大部分值为0.26，远远小于0.5 的参考值，说明接收机在接收L2 频率波段时对外界其他信号的抵抗能力也较强;总体来说，威宁地面接收机的抗干扰能力较强，相关设备保持良好的状态，同时周边环境未发生较大变化。

图2 威宁GPS 地面接收机抗多路径效应能力的时间分布

3.1.4 GPS 地面接收机的周跳修复能力图3 描述的是威宁GPS 地面接收机的周跳修复能力。当接收机失去卫星信号，导致整周计数的跳变或中断后会进行修复，计算得出CSR 的值越小，说明接收机的周跳修复能力越强，参考值一般采用5［5］。从图3 中可以看出，CSR 值大部分都较小，93%的值＜0.1，其中只有12 d o/slps 的值＞1，表明这12 d 的接收卫星信号时中断的次数较多，数据观测的连续性较差，但这个时间段占总天数的比例较小。

图3 威宁GPS 地面接收机的周跳修复能力

所以从数值上来看，威宁站接收机的周跳修复能力很好，换言之，接收机在跟踪到卫星信号后，就能连续对其进行跟踪，中间出现跳变和中断的现象就很少。但是由于威宁站的地面接收机对于每个卫星的跟踪时间都比较短，所以出现周跳现象较少，因此CSR 这组数据并不能完全的说明接收机的性能。

3.2 威宁站与其他IGS 站数据质量对比

3.2.1 跟踪卫星个数对比基于以上的分析可以看出，威宁站的抗多路径效应能力和周跳修复能力较好，但实际采集到的数据量却远低于应采集数据量。因此提取威宁站跟踪到的卫星个数，与其他IGS 站跟踪卫星个数进行了对比。

选取威宁站进行基线解算时采用的6个IGS 观测站，任意选取2011年10月20日和2012年7月18日作为研究个例，选取4个时次对威宁站和其他6个IGS 站在每一时间段上所观测到的卫星个数进行了对比分析，如图4 和图5 所示。图中，横坐标为时间(卫星星历的时间历元)，纵坐标为捕获到的卫星个数(GPS 卫星)，在每一个时间历元上均有一个捕获卫星个数值。图中不同的填充图案表示不同的站点，其中BJFS 为北京房山站、IISC 表示印度科学院站、KUNM 表示昆明站、LHAZ 表示拉萨站、PIMO 表示马尼拉站、WEIN 表示威宁站、WUHN 表示武汉站。

图4 2011年10月20日4个时次上各个GPS 站捕获到的GPS 卫星个数

在2011年10月20日，威宁GPS 地面接收机跟踪到的卫星个数在1～5个之间，以3个和4个居多;北京房山、拉萨、武汉站观测到的卫星个数基本上为7～9个，昆明站较少，平均跟踪到的GPS 卫星个数为6个。同时从72个时间纪元上捕获的卫星个数还可分析出，1 d 中威宁站的16个时间段上捕获的卫星个数少于3个，占了总数的22%，其余6个IGS 观测站跟踪到的GPS 卫星小于3个的时间段为0。从图4 中威宁站在每一个时间历元上跟踪到的卫星个数可看出，任意时间上，威宁捕获的卫星个数均较小，在进行BERNESE 解算时，通常将卫星个数小于3个的观测时段视为一个坏的数据，说明威宁站的GPS 数据存在较多的坏数据。

图5 2012年7月18日4个时次上各个GPS 站的捕获到的GPS 卫星个数

2012年7月18 日威宁地面GPS 接收机跟踪到的GPS 卫星为2～6个，少于3个卫星的观测时间仍占总数的19.4%。其余IGS 站观测到卫星个数变化较小。图5 为2012年7月18日4个时次上各个GPS 站捕获到的GPS 卫星个数，与图4 的分布情况类似，威宁站捕获的卫星个数较其它站点少，表3为2011年10月20日和2012年7月18日这两个时间段上所跟踪到的卫星的统计情况。

3.2.2 威宁站与昆明站的GPS 数据质量对比在选取的6个IGS 测站中，昆明站为离威宁站最近的一个GPS 观测站，其海拔高度为1 890 m，与威宁站情况较为相近。因此基于TEQC 对2011年8月5日—10月31日间昆明站的GPS 数据进行质量检测，可以得出其mp1 平均值为0.48，mp2 平均值为0.84，说明该台站在接收L1 和L2 频率波段时容易受到外界信号的干扰;但是昆明站平均跟踪到的卫星个数较威宁站多，数据利用率平均为75.2%，远远高于威宁站的43%。