ITRF南山GPS连续参考点数据质量分析

2015-02-06张阿丽熊福文朱文耀

地理空间信息 2015年3期

关键词：多路径载波信噪比

张阿丽，熊福文，朱文耀

（1.中国科学院新疆天文台，新疆乌鲁木齐830011；2.上海市地质调查研究院，上海200072；3.中国科学院上海天文台，上海 200030）

ITRF南山GPS连续参考点数据质量分析

张阿丽1，熊福文2，朱文耀3

（1.中国科学院新疆天文台，新疆乌鲁木齐830011；2.上海市地质调查研究院，上海200072；3.中国科学院上海天文台，上海 200030）

新疆天文台南山GPS观测站是国内、国际建立和维持ITRF进行全球动力学研究的参考点之一，由于其测站的特殊地理位置，测站的GPS观测受到国际及国内相关学者的重视。为了确保测站GPS观测数据的精度，对观测数据进行质量评定。选取2012-11-15～12-15 GUAO站GPS观测数据进行统计分析，重点分析了信噪比的强弱及多路径效应对观测数据的影响。

GPS；参考点；信噪比；高度角；多路径误差

新疆天文台南山GPS基准站是全球和中国的地球参考架的一个重要参考点之一，是国际GPS服务IGS的重要基准站。南山GUAO站位于南山草原牧场，经过多年的观测运行，已经取得了长时间的站坐标时间序列。为了确保南山GPS观测数据的解算质量以及连续参考系统的运行状况，对GPS接收机的观测数据进行必要的质量分析，从而更清楚地了解观测站点周边的环境是否存在对参考站的干扰、有否存在引起多路径效应的反射物以及电离层对流层的影响情况。

1 GUAO站信号品质统计分析

GPS接收机数据由ASHTECH 公司u-Z双频接收机进行采集，扼流圈接收天线，数据采样间隔为30 s。对南山观测数据2012年近1个月时间（年积日DOY=320～350，对应2012-11-15～2012-12-15）GPS观测数据进行统计分析，主要分析每天周跳（Cycle Slips）、多路径效应（Multipath，MP1、MP2）、数据完整率（data completeness）、有效历元（epochs with data）、导航数据完整性（navigation data）、格式完整性（format），统计、计算结果如表1所示。

表中MP1，MP2为GUAO站一天24 h接收L1、L2载波信号多路径误差的平均值，最大值为0.26; 数据完整性最小值为99%。根据IGS对每天GPS原始数据周跳、多路径效应、数据完整率、有效历元、导航数据完整性、格式完整性限差的规定，在2012-11-15～2012-12-15间GPS数据质量良好、周围多路径干扰小、数据完整率好，这也说明南山GPS观测站拥有相对较好的观测环境，完全满足International GPS Service （IGS）的数据检测经验值: MP1＜ 0.3，MP2＜0.42，数据完整性＞ 95%，均满足IGS对GPS基准站数据质量的要求。

2 GUAO站信噪比分析

信噪比SNR是表征接收机天线所接收到信号大小的一个量值[1,2]。它主要受天线增益参数、多路径效应和接收机中随机噪声3方面影响。在高度角较高条件下，天线增益较大使得SNR得到有效提高。而在高度角较低条件下，一方面天线增益减小；另一方面由于多路径效应增强使得SNR下降较为严重。

针对南山GUAO站的观测情况，对2012-11-15～2012-12-15间观测数据L1、L2载波信噪比（SNR）进行统计分析。图1以350 d数据为例，绘制了L1、L2载波信噪比环视图。

图 1 GUAO站L1、L2载波信噪比环视图（DOY=350）

图1显示了GUAO站观测到的每颗卫星的L1、L2载波信噪比环视图，从图中可以得知，GUAO站L1、L2载波在高度角15°以上保持较高的信噪比，表明噪音较低、信号较强。从图中显示的单颗卫星的信噪比与高度同时可以看出，L1载波信噪比大于L2 载波信噪比，高度角越小，信噪比越小，误差越大，完全满足International GPS Service （IGS）的数据检测经验值: SN1＞6， SN2＞ 4。通过接收机采集数据分析，得出经过功分器后接收机收到的卫星信号的信噪比没有下降，采用功分器将一个天线的信号分给多个接收机使用的模式是可行的。

表1 GUAO站GPS信号品质统计表

3 GUAO站多路径分析

因存在多路径影响，接收机所接收的信号分两类，即直接到达的信号和间接到达（物体反射和大气折射）的信号。这些信号一起被接收机接收，相互干涉而产生一个复合信号，影响码和相位的量测，使码观测值和载位观测值产生误差，从而使观测值偏离真值，产生所谓的“多路径误差”。这种由多路径信号传播所引起的干涉时延效应被称为多路径效应。多路径效应将严重损害GPS测量的精度，严重时还将引起信号的失锁，是GPS测量中一种重要的误差源[3]。多路径误差主要表现在：

1）多路径误差与卫星相对于天线的空间关系以及天线周围的地物环境有关。有关研究表明，多路径误差可分为两部分[4]，即周期性部分，通过增加观测时间可以消除；固定部分，即使多次重复观测也消除不了的，因为多路径效应在各站之间无相关性。

2）多路径效应的大小与卫星高度角有关，卫星高度角越低，影响就会越大[5]。

3）多路径误差的影响与反射源的反射系数有关。反射系数与反射源介质材料特性有密切的关系。金属材料反射物，它会对电磁波产生全反射；对于非金属材料反射物，多路径误差与其介电常数有关。介电常数越大反射越大，反之越小。

4）多路径误差的影响还与观测站天线和反射源的距离有关。一般来说，多路径误差将随着观测站天线和反射源距离的增大而减小。这是由于电磁波在大气中传播时会有衰减。当天线和反射源的距离为10 m时，反射信号已衰减了10%;当天线和反射源的距离超过50 m时，则无需考虑反射信号对GPS卫星信号的影响[6]。

为了进一步分析GUAO站载波相位多路径的特性，同信噪比分析类似，我们分析处理了3 dGUAO站的观测资料绘制了GUAO多路径环视图。依次以2012-12-13（d348）、14（ d349）、15（d350）3 d的GPS 采样间隔为30 s 的观测数据为例，绘制以测站为中心按高度角和方位角分布的多路径效应如图2 所示。在多路径环视图中，圆圈代表高度角，越靠近中心，高度角越高；图中向上方向为站点北方向，用来表示卫星相对于站点的方位角。图中截止高度角设为15°( 灰色区域) ，曲线为卫星轨迹，红色数字为卫星编号，卫星轨迹上的绿色不规则突起即为多路径效应。

图2 GUAO站L1、L2载波多路径环视图

在GPS 观测过程中，卫星的位置不断变化，其在测站极坐标系下的高度角也在不断变化，而不同高度角计算出的多路径残差值是不一样的。从图2可以看出，GUAO站观测到的卫星数及单颗卫星的多路径及高度角信息，在高度角较低时，多路径误差明显较大，同时多数粗差和周跳也发生在高度角较低的时候。GUAO站L1、L2载波在高度角15°以上多路径影响很小。由图2 可见，卫星连续3 d 的多路径效应具有较强的相似性以及在相邻观测天多路径效应具有较高的符合性。这也说明多路径效应存在的客观性以及多路径效应具有可重复性特征[7]。

为了进一步分析载波相位多路径的特性，以及分析多路径效应和卫星空间位置的关系，我们绘制了多路径效应残差与卫星高度角的关系见图3、图4。图3显示了1号卫星的多路径时间序列与卫星高度角的关系，图4显示了在天线周围环境固定不变的情况下，对于每一颗卫星来说，测站的多路径效应只随卫星的空间位置变化而变化，即与卫星高度角和方位角有关。高度角越高，多路径效应越小。从整体上看，GUAO站多路径效应在合理的范围内，说明周围观测环境比较理想。