上海CORS 站点的数据质量检测及可视化表达

陈 浩

（上海市测绘院，上海 200063）

0 引言

随着卫星导航定位技术的发展，连续运行参考站（continuously operating reference stations, CORS）是空间数据基础设施最为重要的组成部分，可以获取各类空间的位置、时间信息及其相关的动态变化[1-3]。

上海CORS 由2000 年的上海地区导航定位综合应用网，经过一系列升级改造后，在2013 年建立了能够兼容北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）的基准网观测系统，目前上海CORS 在全市范围内有10 个参考站，分布图如图1 所示，分别为：崇明东滩（CMDT）、崇明庙镇（CMMZ）、测绘院（SHCH）、嘉定（SHJD）、青浦（SHQP）、莘庄（SHXZ）、金山（JSXZ）、宝山（SHBS）、三甲港（SJGN）和临港新城（LGXC）。自上海CORS 建立以来，为各级测绘部门的日常生产和不同精度需求的建设单位提供了相应的技术服务，具有良好的社会和经济效益。

图1 上海CORS 基站分布示意图

本文通过数据格式转换、元数据编辑及数据质量检查（translation, editing and quality checking,TEQC）软件数据处理并利用矩阵实验室（matrix laboratory, MATLAB）的可视化，来分析10 个上海CORS 基准站中某个时段的观测数据的质量，以此判断基准站周围环境是否发生改变，确定基准站点的可靠性、稳定性和精度，并结合实际案例，针对发生位移的基准站点，通过其稳定性和数据质量来分析该站点是否可以进行原地重建工作，可为遇到同类问题的站点提供解决思路。

1 TEQC 数据质量评估方法

美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体（University NAVSTAR Consortium, UVAVCO）开发的TEQC[4]软件，可以广泛地应用到全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）观测数据的预处理，主要功能有：数据格式转换（translation）、数据编辑（editing）、以及质量检核（quality checking）[5]，其中质量检查部分对观测数据中的伪距和相位观测量以线性组合的方式来分析载波L1、L2 的多路径效应、信噪比、电离层延迟和周跳等9 个结果文件[6]，具体如表1 所示。表1 中：MP (multipath effec)为多路径效应；SNR(signal noise ratio）为信噪比。

本文采用TEQC 软件输出的数据有效率、MP1、MP2、周跳比（cycle slip ratio, CSR）来对上海CORS站点某天的数据质量进行分析，其中数据有效率表示理论观测值个数与实际观测值个数的比值，MP1、MP2分别表示L1、L2 频点上的多路径效应对伪距和相位影响的综合指标。MP1、MP2的其计算公式为：

表1 TEQC 质量检核生成的结果文件

式中：P1、P2分别为L1、L2 码伪距观测量；1φ 、φ2分别为L1、L2 载波相位观测量；α 为频率1f 和f2之比的平方。

GNSS 观测站点的观测环境、观测数据的质量反应在M1P 、MP2、CSR 值上。根据国际GNSS 服务组织（International GNSS Service, IGS）的数据质量监测系统表明[7-9]，CSR 年平均值小于5，M1P平均值小于0.5 m，MP2平均值小于0.75 m，数据有效率应大于85%，以此为标准对上海CORS 数据质量进行评定。

本文选取了2020-02-02—02-11，累计10 d 的10 个上海CORS 站点的数据，并利用TEQC 对数据进行了处理，结果如表2 所示。

表2 上海CORS 站点10 d GNSS 观测数据质量统计

从表2 可以看出，上海CORS 的10 个基准站CSR 值均低于IGS 站的年平均值，站点数据有效率均高于90%，载波L1 和L2 的多路径效应值均符合规范要求，说明上海CORS 基准站的数据观测质量较高，且明显优于IGS 基准站的数据指标要求，说明站点周围的环境变化对天线接收卫星信号无影响，不影响CORS 站点的数据质量。

2 TEQC 结合MATLAB 的可视化表达在实际工程中的应用

自上海CORS 建成以来，都会固定时间间隔与IGS 站点联测，以保证站点的高精度，从而实现上海市的现代测绘基准框架的维持。在2019 年4 月，发现测绘院站点坐标异常。上海CORS 对外服务采用的方法为所有基准站点参与组网解算，向用户播发解算得到的差分改正值，为了确保上海CORS 系统的精确性和可靠性，将该站点剔除出网，使其不参与组网解算，只记录观测数据。为确保实时动态差分（real-time kinematic, RTK）服务，基准站网要求站站间距小于70 km。剔除测绘院站后，上海CORS 仍能够满足站站间距小于70 km 的要求，对外服务影响不大。同时通过数据中心，每天对该站点进行监控，观察是否有进一步增大位移的现象。其原因是由于该站点附近正在进行武宁路快速化改建工程，距离该站点东北方向约50 m处正在进行深基坑施工，导致测绘院站发生位移。

为了分析测绘院站点是否稳定，分别选择2019-03-01、2019-05-01、2019-08-01、2019-12-01、2020-02-01 以及2020-03-01 的观测数据，进行计算得到相应的坐标值，如表3 所示。

表3 不同时期的测绘院站点坐标

并以最近一次与IGS 站点联测解算的坐标值为基准点，绘制坐标变化图如图2 所示。

图2 不同时期的测绘院站点坐标与基准坐标值差值

从表1 可以看出，测绘院站点坐标趋于稳定，可以继续使用，但是从长远角度看，武宁路快速路通车以及地铁通行后，震动会比较大，需待施工结束后进一步评估震动是否符合CH/T 2008-2005《全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范》的规范要求。

本着慎重对待基准框架的原则，先期在测绘院内勘选新的站点，基准站站址一般满足附近200 m无剧烈振动，无无线电台、无微波通讯等设备，视线高度角15°以上无阻挡物。同时，在站点布设前，须采用双频GNSS 接收机现场连续采集数据24 h，采用GNSS 数据预处理软件TEQC 对采集的数据进行质量检核，分析该站GNSS 数据的电离层延迟、多路径影响等。综合考虑网络通讯、卫星接收状况以及电力设施等条件，测绘院C 楼、D 楼楼顶均满足布设新基准站的条件，相应结果如表4 所示。

表4 测试点位数据质量统计

由表4 可知，测绘院原站点数据有效率较高，从目前的数据质量角度选择，适合在原址进行修复重建，本文结合MATLAB 的可视化表达进一步探究该点位的数据质量。图3～图6 给出了全球定位系统（global positioning system, GPS）以及北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）的卫星可见性、位置精度衰减因子（position dilution of precision, PDOP），水平精度衰减因子（horizontal dilution of precision, HDOP）以及垂直精度衰减因子（vertical dilution of precision, VDOP）。

图3 GPS 以及BDS 卫星可见数

图4 GPS 以及BDS 的PDOP 值

图5 GPS 以及BDS 卫星HDOP 值

图6 GPS 以及BDS 卫星VDOP 值

从图3 可以看出，任何时刻测试点位均能满足接收到GPS、BDS 各4 颗卫星的条件，最多时分别可接收到11、12 颗卫星信号，说明测试点位数据质量较高。

在GNSS 定位数据质量分析中，可以用3 种精度衰减因子（dilution of precision, DOP）来衡量观测卫星的空间几何分布对定位精度的影响[10-12]，图4～图6 分别表示3 维（3D）位置的几何精度因子PDOP、2 维（2D）水平位置几何精度因子HDOP以及垂直（高程）几何精度因子VDOP。其中，几何精度因子的值越小观测值精度越高，根据计算结果进行后期处理可以看到，GPS、BDS 的DOP值均较小，反应出测绘院点位的数据质量较高，在测试时间段内，BDS 的PDOP 均值为2.8，大于GPS 的1.5，原因为BDS 主要以倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbits,IGSO）和地球静止轨道卫星 (geostationary Earth orbits,GEO)卫星为主，在亚太地区卫星数可见数较多；BDS 的HDOP 均值为1.7 左右，与GPS 的1.4 相当；BDS的VDOP 均值为2.8，高于GPS 的1.6。

图7 和图8 给出了GPS 以及BDS 的天空图。

图7 GPS 卫星天空图

图8 BDS-2 卫星天空图

从图8 可以看出， BDS 卫星可见性较差，是因为测试用的接收机为 Trimble NetR9，只能接收北斗卫星导航（区域）系统即北斗二号（BeiDou navigation satellite (regional) system, BDS-2）卫星信号，而可以接收GPS 全星座的卫星信号，从图7 可以看出，该测试点位的卫星接收状态较好，满足4 颗的最低要求，侧面反映出数据质量较高。

为了比较站点接收到的不同轨道高度的BDS、GPS 卫星的数据质量，分别绘制了MP、信噪比（signal noise ratio, SNR）之间的关系，如图9～图12 所示。对于BDS 分别选取了具有代表性的GEO C01 卫星、IGSO C07 卫星、中圆地球轨道（medium Earth orbit, MEO）C16 卫星，并与GPS G01 卫星进行比较，可以看出多路径MP 值与高度角负相关，即高度角越高，MP 值越小；BDS B1 频率的MP 值均小于B2，GPS 卫星L1频率的MP 值大于L2； BDS、GPS 的SNR 值相近，均维持在较低水平体现出站点位置的数据质量较高。

图9 C01 卫星MP 值以及SNR 值随高度角的变化图

图10 C07 卫星MP 值以及SNR 值随高度角的变化图

图11 C16 卫星MP 值以及SNR 值随高度角的变化图

图12 G01 卫星MP 值以及SNR 值随高度角的变化图

3 结束语

利用TEQC 对GNSS 观测数据进行质量分析，可以得到详细的分析统计指标值，包括MP1、MP2、CSR 等，这些指标可以定量分析观测数据质量。结合MATLAB 进行绘图分析，更可以直观地反映出数据质量，对于基准站点周围环境监测具有重要意义，同时也能够对站点位移情况进行有效的分析和检测，为同类问题提供1 个很好地处理方法。