全球范围IGS监测站GPS观测数据质量分析

宗干,郭金运

(1.青岛市光电工程技术研究院,山东 青岛 266109;2.山东科技大学 测绘科学与工程学院,山东 青岛 266590)

0 引 言

随着基本卫星导航系统以及增强导航系统的持续建设发展,国际全球卫星导航系统(GNSS)服务组织(IGS)连续监测站的数量及分布范围也在不断增长扩大．大量的地面连续观测数据一方面可用于导航卫星轨道、钟差等的精确确定,为系统自身完善提供有效数据支撑;另一方面可为广大系统用户所用,服务于大陆板块运动分析、大气参数反演以及高精度定位、授时等诸多方面[1-5]．

IGS监测站发挥作用的前提是具备良好的观测数据质量,观测数据的质量水平与解算结果密不可分,使用前应首先对所选站点原始数据的质量做出评估筛查．目前已有学者针对连续监测站数据质量进行分析,但评估样本多为某一局部地区内专用站点观测数据[6-9],而面向IGS站点的数据质量分析[10-11]也多是针对特定区域,针对全球范围IGS站点数据质量的公开评估结果较少．

为了解全球范围内IGS站点观测数据质量的基本情况,同时考虑到各GNSS目前全球覆盖能力和发展成熟度,本文以全球定位系统(GPS)作为分析对象,针对其2017年的原始观测数据,通过数据所受多径影响、数据观测完整程度以及数据中跳变比例三方面进行数据质量的评价统计,结果可为相关科研及工程应用中的站点选择工作提供参考借鉴,提高站点选取时的目的性,降低该过程中随机性和盲目性．

1 分析对象及质量评估方法

1.1 分析对象基本情况

参与质量分析的IGS监测站2017年GPS观测数据来自IGS全球数据中心CDDIS(CrustalDynamiticDataInformationSystem)的FTP站点(ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/)．

为保证所有参与质量分析的监测站在数据量上保持相同且数据采集时间一致,筛选出全年观测数据完整上传的监测站为分析对象,共189座,站点分布如图1所示．

为便于统计,将参与分析的189个站点依其所在位置按大洲进行分组(位于远海岛屿的站点根据该岛屿所属国家归入相应大洲,南极洲站点独立划分,不区分国家), 其中欧洲有64座, 整体分布密集;北美洲有59座,主要位于美国和加拿大两国;亚洲有12座,大多位于东亚、中亚国家;大洋洲有36座,澳大利亚和新西兰占大多数;南美洲有10座,较均匀分布于整个大陆;非洲有2座,位置靠近南部沿海地区;南极洲有6座,多数布设于大陆边缘．具体数量情况如表1所示．

图1 全球范围被测站点分布

表1 各大洲被测站点数量统计

由表1可知,全年数据完整上传的站点中欧洲占比略超3成,比重最大,其次为北美洲,占比为31.22%,此两大洲站点总和所占比重已超过6成,其余约4成站点分布于其他五大洲,所占比重由大到小依次为大洋洲、亚洲、南美洲、南极洲和非洲．

1.2 分析指标与方法

为提高统计结果的通用性和可信度,各站点观测数据质量评价基于TEQC软件[12-13]给出的指标开展,包括反映观测数据中多路径影响水平的指标MP1、MP2[14-17],反映观测数据接收完整情况的指标“实收-应收观测比”[14-17]以及反映观测的数据中跳变数量的指标“观测-跳变比”(O/Slps)[14-17]．

各指标的合格阈值将优先按照国家标准[18]进行设定,其中MP1、MP2值上限设为0.5m和0.65m;“实收-应收观测比”的下限设为95%;而对于O/Slps,由于其阈值在国家标准[18]中并没有明确给出,且在各文献中的评价标准并不统一(主要有100和200两种指标[6,15,19-20]),经对被测站点全年O/Slps值的统计,得到该值主要分布区间为(0,30000),考虑该值越大越优的特点,取该范围内最小的5%,即O/Slps值小于1 500为未达标．具体情况如表2所示．

表2 质量评价指标及阈值

基于以上指标,数据质量分析工作分为两步进行:第一步是通过与对应阈值进行对比,获得各指标的日合格情况,然后基于此统计出各指标全年的合格天数,进而计算出指标的年合格率(合格天数占总天数的比例)．基于各项指标的年合格率,得出关于各站点2017年数据质量水平的初步评估结果．

第二步,为进一步了解站点年数据质量情况,使用各指标的年合格率均值为判断标准,构造评价函数为

I(i)=

(1)

2 质量分析及评价结果

接下来以大洲为单位对站点2017年GPS观测数据质量进行分析．

2.1 欧洲

欧洲共有64座监测站完整上传了全年观测数据．由图1可知,欧洲站点在大陆本土分布较为密集,俄罗斯中东部地区分布较稀疏,同时由于英国、法国等国家海外领地的存在,太平洋、大西洋、印度洋等地区皆有监测站布设．

以此为对象进行数据质量分析,统计TEQC软件输出的各站MP1、MP2、数据实收-应收观测比以及O/Slps四项指标年合格率,统计结果如图2、图3所示．

图2 欧洲数据完整上传站点MP1、MP2值年合格率

图3 欧洲数据完整上传站点实收-应收观测比、观测跳变比年合格率

整体来看,参与统计的欧洲各站全年MP1和MP2值合格情况相似,多数站点合格天数超过全年的80%,少数站点MP值年合格率低于60%,如bilb、kely、kiro、lovj、mar6、onsa、spt0以及zimj站,说明站点数据受多径影响较严重．

实收-应收观测比方面,多数站年合格率超过80%,数据观测完整程度较高,少部分站点该指标合格率低于60%,如bilb、bogi,mar6、mobj、mobk、opmt以及pets站．O/Slps值各站年合格情况差异较大,其中bilb、lovj、mar6、mars、metg、pets以及vill站年合格率接近0%,说明数据中含有较多跳变．

然后根据式(1)可得欧洲数据完整上传的站点中有bilb、lovj、mar6以及pets站的GPS观测数据平均质量未达标．该四站四项指标的时间序列如图4所示．

图4 欧洲年平均数据质量未达标站点指标时序

由图4可以看出,pets站MP水平较其他站点理想但实收-应收观测比值较低,bilb站O/Slps值整体低于其他三站,lovj、mar6两站四项指标整体变化情况相似．综合分析来看,虽然四站达标情况不理想,但全年数据变化离散程度较低,数据分布集中,说明测站内外部环境全年变化不大,观测数据持续受到某种不利因素影响．

2.2 北美洲

北美洲各国共有59座监测站全年完整上传了观测数据．由图1可以看出北美洲监测站主要位于美国及加拿大两国,其中美国加利福尼亚州南部以及加拿大温哥华岛监测站布设密集,少数站点分布于美洲中部地区,同时在太平洋岛屿也有监测站布设,如guam站(关岛),kokr站(夏威夷群岛)．

对各站全年的MP1、MP2、数据实收-应收观测比以及O/Slps四项指标的年合格率进行统计,统计结果如图5、图6所示．

图5 北美洲数据完整上传站点MP1、MP2值年合格率

由图5可以看出北美洲各站MP2值年合格率整体优于MP1,仅有fair、gol2、nlib以及wlsn站MP2合格率低于60%,而MP1值有较多站点合格率较低,其中bamf、cags、chwk、fair以及gol2站等站点合格率接近0%,数据受多径影响较严重．

图6 北美洲数据完整上传站点实收-应收观测比、观测跳变比年合格率

实收-应收观测比方面,北美洲各站情况与欧洲类似,有较多站点年合格率超过80%,少部分站点该项指标明显较低,如bamf、chwk、fair、guam、nlib以及sfdm站等．

北美洲各站的观测跳变比合格情况同样呈现站间情况差异明显的现象．其中albh、alg2、brew、cit1等站年合格率接近100%,而amc2、bamf、bcov、chwk、fair、guam、lbch等站年合格水平不理想,反映出跳变出现较频繁．

通过式(1)进行筛选,北美洲数据完整上传的站点中,fair、nlib以及wlsn站全年平均质量未达标,该三站四项指标的时间序列如图7所示．

图7 北美洲年平均数据质量未达标站点指标时序

由图7可知,三站点全年的MP及O/Slps值变化情况相近,但nlib站离散程度更大,另外该站实收-应收观测比整体低于其他两站．综合分析来看,与欧洲情况类似,此三站数据整体分布集中,全年观测同样持续受到不利因素影响．

2.3 亚洲及大洋洲

亚洲及大洋洲各有12座和36座参考站完整上传了观测数据．由图1可知亚洲站点分布较稀疏,主要位于中国、日本、菲律宾、吉尔吉斯斯坦等国;大洋洲站点数量较多且密集,主要属于澳大利亚和新西兰两国,其余站点多位于其周边海岛．

两大洲站点四项指标年合格率统计结果如图8、9所示．

图8 亚洲、大洋洲数据完整上传站点MP1、MP2值年合格率

图8中左起前12个站点是亚洲监测站,其他为大洋洲站．MP值方面,以上站点MP2年合格率仅mizu、pimo两站未达到80%,达标情况明显优于MP1．

图9 亚洲、大洋洲数据完整上传站点实收-应收观测比、观测跳变比年合格率

图9中各站全年实收-应收观测比情况与欧洲、北美洲相似,年合格率超过80%的监测站占较大比例．合格水平较低的亚洲站点有pimo、sumk、usud以及yibl站,大洋洲站点有mqzg、nnor、solo以及sydn站．O/Slps方面,站点间年合格率差异较大,不足20%的监测站有pimo、sumk、aukt、laut、nnor、park、pert、solo及sydn站．

按式(1)进行筛选后,两大洲中仅有pimo站全年平均质量未达标,该站四项指标的时间序列如图10所示．

图10 亚洲、大洋洲年平均数据质量未达标站点指标时序

由图10能够看出pimo站两项MP指标随时间出现上升趋势,而其他两项指标呈下降状态,虽全年变化平稳,但整体处于较低水平,说明该站观测数据持续受到不利因素影响,且影响结果逐渐累积．

2.4 南美洲、非洲及南极洲

南美洲、非洲及南极洲分别有10座、2座和6座监测站上传了观测数据．南美洲国家站点基本均匀覆盖整个大陆,而非洲只有位于南非的harb站和马达加斯加的voim站全年完整地上传了数据,南极洲站点则集中于大陆沿海地区,仅有amu2站建于大陆内部,接近南极点．

三大洲完整上传数据的站点数据质量四项指标年合格率统计结果如图11、12所示．

图11 南美洲、非洲及南极洲数据完整上传站点MP1、MP2值年合格率

图中左起前10站属于南美洲,右起6站属于南极洲,其余两站为非洲站．三大洲多数测站MP值年合格率超过80%,仅少数站点存在异常,说明观测受多径影响较大,如南美洲的bogt和falk站、南极洲的mcm4、palm及sctb站．

图12 南美洲、非洲及南极洲数据完整上传点实收-应收观测比、观测跳变比年合格率

三大洲多数站点数据实收-应收观测比能够保证年合格率超过80%,仅bogt站数据采集情况不稳定,缺失严重．O/Slps方面,bogt、cord、falk、mcm4以及sctb站年合格率较低,不足60%,反映出观测数据中含有较多跳变,数据质量稍差．

使用式(1)对三大洲数据完整上传的站点进行评价,以上站点的平均合格率均超过阈值水平,能够看出三大洲站点中虽有个别指标合格率较低,但全年中仍有较多的合格观测可以使用,使用时可综合对比,选用合格时段数据．

3 结束语

本文利用TEQC软件给出的四项数据质量评价指标,结合新构造判断标准对全球范围内189座IGS监测站2017年GPS原始观测数据的质量进行了统计,得到了相关站点数据质量的评价结果．

通过被测站点四项指标年合格情况可知,整体上各站MP2与实收-应收观测比的年合格率要优于其他两项,MP1与MP2虽为同类指标,但二者整体合格情况差异较明显,分析认为除观测数据本身的质量影响外,该情况也可能与两项MP值的阈值设置[18]有关,其严格程度同样会对统计结果产生影响．根据判断标准式(1),参与统计的测站中多数达到合格标准,仅有少部分站点,如bilb、lovj、mar6、pets、fair、nlib、wlsn以及pimo站全年平均合格率低于所设阈值,综合数据质量水平未达标准．

本文分析结果可作为对全球IGS站点GPS数据质量水平的初步认识,可作为地学研究及工程应用过程中站点选取的参考,能够在一定程度上解决大范围站点挑选时目的性缺乏的问题,提高站点数据取舍的指向性,同时,本文结果也可为各阈值的设定提供参考,辅助质量评价指标体系的不断完善．