昌平断裂交汇区GNSS观测网络数据质量分析

鲁亚军 马一方 胡乐银 李平安

(北京市地震局, 北京 100080)

0 引言

昌平-顺义-海淀交界区是北东向小汤山-东北旺断裂和黄庄-高丽营断裂与北西向南口-孙河断裂的交汇区(简称昌平断裂交汇区),该区域是北京平原区内活动断裂、第四纪隐伏凹陷、现今地面沉降和地震活动叠加发育发生的典型地区[1-3]。利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)开展该区域高精度的地壳形变动态监测与数据分析,能够深化区域构造活动、地面沉降、地震活动特征与规律及其相互关系的认识,有利于提升该区域的地震监测能力和对地震活动趋势的科学把握。

为了完善昌平断裂交汇区GNSS观测网络,北京市地震局于2019年8月新建了5个GNSS连续运行观测站,与区内4个现有连续运行GNSS观测站[4]组成一个观测网络,以获取该区内三维地壳形变信息以及3条主要活动断裂(南口-孙河、东北旺-小汤山和黄庄高丽营断裂)的相对运动状态。由于GNSS原始观测数据质量直接关系到后续数据处理结果的精度和可靠性,对其进行质量分析和检查是应用中的一项非常重要的基础工作[5-8]。因此,本文选取观测数据完整率、周跳比、多路径效应、信噪比等指标进行昌平断裂交汇区GNSS连续运行基准站观测数据的质量评价工作。研究成果有利于后续GNSS数据处理选择更为合适的函数模型和随机模型,且在数据解算结果出现异常时能够快速找出原因,对于GNSS监测区域地壳运动的结果分析具有重要的指导作用。

1 数据情况

本次数据质量检查工作不仅包含昌平断裂交汇区5个新建的GNSS观测站,而且包含区内4个现有的GNSS观测站(北京市连续运行基准站，BJCORS),9个测站的空间分布如图1所示,其中,五角星代表新建测站,圆点代表原有测站。对于新建测站,即板桥站(BANQ)、昌平地震台站(CPDS)、凤凰山陵园站(FHSL)、高崖口站(GYKC)、果庄村站(GZHC)，其观测数据包含全球定位系统(global positioning system,GPS)、北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)、格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS是俄语“全球卫星导航系统global navigation satellite system”的缩写)和伽利略(Galileo)4个系统。对于原有测站,即测绘院基站(CEHY)、昌平基站(CHPN)、石景山基站(SHIJ)、牛栏山基站(NLSH)，其观测数据包含GPS和GLONASS两个系统。本文选取2019年第218天和2020年第366天的观测数据进行质量检查,采样间隔为15 s,截至高度角为10°。

图1 昌平断裂交汇区GNSS连续运行基准站网的空间分布注：图中测站,GZHC为果庄村站，FHSL为凤凰山陵园站，CHPN为昌平基站，BANQ为板桥站，NLSH为牛栏山基站，GYKC为高崖口站，CPDS为昌平地震台站，SHIJ为石景山基站，CEHY为测绘院基站。

2 参数计算

本文根据《中国地壳运动观测技术规程》《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314—2009),选取观测数据完整率、周跳比、多路径效应(MP1和MP2)、信噪比作为质量评价指标[9-11],使用的数据质量判定标准为数据有效率大于85%,o/slips大于200,MP1平均值小于0.5 m,MP2平均值小于0.75 m[12-14]。本文利用Fortran语言编写程序完成支持RINEX2/3格式的GPS/BDS/GLONASS/Galileo观测数据质量检查,下面对选取的相关指标的计算进行说明。

数据完整率能够反映GNSS测站周边环境,例如，是否存在较高建筑物遮挡,其计算公式为

(1)

式中,Na为完整观测值个数；Ns为预期完整观测值个数,其计算方法为利用广播文件计算相应时刻测站观测到的所有卫星的高度角,如果计算高度角大于10°,则增加预期完整观测值个数。

周跳比能够反映数据的周跳情况,为完整观测值个数与周跳数的比值o/slips,数值越小表明周跳越严重。本文采用电离层残差组合和MW组合进行周跳的探测，如式(2)、式(3)所示。

式中,φ1和φ2为相位观测值；P1和P2为伪距观测值；f1和f2为载波频率。

本文计算的MP1和MP2值分别表示L1、L2载波上的多路径效应对距和相位影响的综合指标,其值越大,多路径影响越严重,其计算公式为

(4)

信噪比是指有用信号和噪声的比值,与卫星状况及周围观测环境有关。本文利用接收机给出的L1和L2相位观测值的原始信号强度日均值给出,给出L1和L2的信噪比值SNR1和SNR2，其中，SNR是信噪比(signal-to-noise ratio)。

3 数据质量分析结果

在数据质量检查之前,本文首先利用GDP软件查看了各测站的卫星可见性[15]。GPS和GLONASS为全星座运行,在一天内两卫星系统均可观测15颗卫星以上。BDS和Galileo在2019年正处于组网阶段,特别是Galileo可见卫星很少且观测质量较差。因此本文在对新建测站的分析中,将不再包含Galileo观测数据。对于原有测站,其观测数据仅包含GPS和GLONASS。限于篇幅,下文随机选取BANQ测站数据质量检查结果进行详细说明,其他测站仅列出日均值结果。

图2给出了BANQ站的数据质量检查结果,由图可知,在数据完整率方面,GPS数据完整率均超过85%,而BDS数据完整率较低(<80%),在观测时段内(共计514天),GLONASS数据仅有107天的数据完整率超过85%;在周跳比方面,3个系统数据均有较好的结果,表明数据接收稳定,受卫星失锁、信号中断等影响较小;在多路径效应方面,除了个别观测天数MP1值超过0.5 m,其他时间内MP1和MP2值均符合数据判断标准要求;在信噪比方面,3个系统接收信号的强度均较为良好。表1～表3给出了所有测站在观测时段内各项数据质量检查指标的日均值。结果表明,新建测站在数据有效率方面较原有测站较差,新建测站GPS观测的数据完整率比较稳定,其他两个系统数据完整率较低,后续有待进行相应改进。原有测站的o/slips较新建测站离散程度小,尤其是新建测站BDS和GLONASS两个系统的周跳相对严重。在信噪比方面,除了GPS和GLONASS的L2相位观测值信号强度相对较弱以外,其他GNSS信号强度均较为良好。所有测站受到多路径的影响均较小,特别是新建测站的BDS观测数据。因此,昌平断裂交汇区GNSS观测网络观测质量较好,后续可继续升级硬件系统以满足BDS应用的需要。

图2 BANQ站数据质量检查结果注：图中，BDS为北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system)；GPS为全球定位系统(global positioning system)；GLONAS为格洛纳斯卫星导航系统(是俄语“全球卫星导航系统global navigation satellite system”的缩写)；SNR为信噪比(signal-to-noise ratio); MP1 和 MP2 值分别表示L1、L2 载波上的多路径效应对距和相位影响的综合指标。

表1 观测时段内各测站数据质量检查指标平均值(GPS)

表2 观测时段内各测站数据质量检查指标平均值(GLONASS)

表3 观测时段内各测站数据质量检查指标平均值(BDS)

4 结束语

本文通过选取数据完整率、多路径效应、信噪比以及周跳比等数据质量评价指标,对昌平断裂交汇区9个GNSS连续运行基准站的观测数据质量进行了分析与评估,得出以下结论：(1)所有测站的GPS观测数据完整率均符合规范要求,新建测站的BDS和GLONASS数据完整率较低,不符合规范要求;(2)所有测站受到多路径效应的影响均较小;(3)所有测站接收到信号的强度良好,尤其是新建测站的BDS观测数据;(4)所有测站的周跳现象均较少,观测数据稳定可靠。昌平断裂交汇区9个GNSS连续运行基准站的GPS观测数据质量较好,可为后续地壳形变的监测提供完整、可靠、高精度的观测数据,新建测站的硬件设备有待升级,以满足后续BDS的推广应用。