张珂，董传胜

(山东省国土测绘院，山东 济南 250102)

0 引言

山东省北斗导航定位基准站网是全国首个基于北斗三号卫星同时兼容美国GPS、俄罗斯GLONASS以及欧洲Galileo卫星系统的省域运营级基准站网[1]，它广泛应用于自然资源、农业、交通等领域。山东省北斗导航定位基准站网具有全天候、连续、实时、高精度、高时空分辨率等特点，在山东半岛气象灾害预报中起到了重要作用[2]。山东半岛气象灾害预报借助北斗基准站观测数据，实时反演和监测山东半岛上空高精度水汽信息的四维时空分布，揭示山东半岛极端天气发生、发展和变化的演变特征与GNSS水汽之间的内在联系，能更好的开展实时高精度GNSS水汽用于极端天气短临预报及预警的可行性研究。拥有质量良好的观测数据是保证研究成果正确性的前提，本文使用数据缺失天数统计软件与TEQC数据预处理软件，运用数据完整性、数据观测时长、观测值有效率、多路径效应、数据信噪比与周跳比等6个质量指标对山东半岛地区31座北斗基准站2021年全年的观测数据进行评价，同时分析影响数据质量的因素。

1 研究区概况

山东半岛处于中国东部沿海,渤海与黄海之间,与辽东半岛、朝鲜半岛和日本列岛隔海相望[3]。地形以低山丘陵为主,丘陵地带平均海拔约200m,山东半岛属暖温带湿润季风气候,年均温11～13℃;年降水量在650～850mm之间[4]。山东半岛海岸线是我国海岸线的重要组成部分,海岸线突出曲折,多优良海湾港口,资源丰富,对外运输能力较强,有利于经济来往,发展沿海经济区[5]。山东半岛有广义和狭义之分,狭义的山东半岛指胶莱河以东的胶东半岛,广义的山东半岛是寿光小清河口和日照岚山口与岚山头苏鲁交界处的绣针河口两点连线以东的部分[6]。本文的研究区范围以狭义的山东半岛区域为主，该区域易受极端天气影响，如2005年12月3日—4日、2008年12月4日—5日及2014年12月，研究区内连续出现3次极端天气过程，给当地的交通、社会生产和人们的生活造成严重影响。

2 研究方法

本文主要使用数据质量评价软件，运用相关的评价指标，对山东半岛地区31座北斗基准站2021年全年的观测数据进行评价，同时分析影响数据质量的因素。

2.1 数据质量评价软件

本文使用的数据质量评价软件为TEQC数据处理软件与数据缺失天数统计软件。

2.1.1 TEQC数据处理软件

TEQC数据处理软件(Translation,Editing,and Quality checking)是由美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合研究开发，可以在其官网免费下载[7-8]。TEQC数据预处理软件主要功能有：数据记录文件二进制转换、数据记录内容编辑、数据验证及其标准化与数据质量检查[9-13]。本文主要应用TEQC数据处理软件的数据质量检查功能。

2.1.2 数据缺失天数统计软件

数据缺失天数统计软件是由自主研发，主要功能是对连续运行基准站数据是否缺失进行检查。北斗基准站应每个年积日生成一个数据文件，存储当日的观测数据。此软件对每个北斗基准站每天是否存储数据进行检查，如该站当前年积日存有观测数据，则输出“1”，若没有存储当日数据，则输出“0”。

2.2 数据质量评价指标

本文运用的数据质量评价指标有：数据完整性、数据观测时长、数据观测值有效率、数据多路径效应、数据周跳比与信噪比。

2.2.1 数据完整性

北斗连续运行基准站应保持稳定运行，每天生成一个观测数据，若发生接收机故障或停电等特殊情况，接收机可能无法记录当前年积日数据，造成基准站数据整日缺失，连续多日的基准站观测数据缺失不利于该站开展后期的科学研究。根据《卫星导航定位基准站网运行维护技术规范》，每个北斗基准站应确保年度连续运行时间不得低于330d。

2.2.2 数据观测时长

北斗基准站应每个年积日生成一个数据文件，存储当日的观测数据，当日数据记录时间从协调世界时(UTC)0时0分0秒开始，至协调世界时(UTC)23时59分59秒结束，数据观测时长应为24h，但受接收机及天线性能影响，会造成部分时间段数据记录的缺失，根据《卫星导航定位基准站网质量评定规范》，每个北斗基准站每天记录的观测时长不应小于22.50h。

2.2.3 数据观测值有效率

数据观测值有效率是指数据记录的该时段内观测数据有效历元数与该时段内理论历元数的比值[14]，其数学表达式见式(1)

(1)

式中：Have(i)为该时段内观测数据有效历元数，Total(i)为该时段内理论历元数。数据观测值有效率是数据质量评定的一个综合指标，可以反映出接收机性能的优劣以及观测环境的好坏[15]。按照《卫星导航定位基准站网质量评定规范》，每个北斗基准站数据观测值有效率应在85%以上。

2.2.4 数据多路径效应

卫星信号从20000km高空向地面发射,接收机天线接收的信号不但有直接从卫星发射的信号,还有从反射体反射的间接信号,这两种信号叠加被接收机接收后产生干涉从而影响码和相位的量测,这种效应称为多路径效应,由此产生的定位误差称为多路径误差[16-18]。一般用MP1和MP2分别表示L1和L2波段的多路径误差，其是评价数据观测质量的一项重要指标[19]。按照《卫星导航定位基准站网质量评定规范》，每个北斗基准站的多路径效应MP1值与MP2值均应小于0.50m。

2.2.5 周跳比

接收机在接收卫星信号过程中，卫星信号会受到外部环境的遮挡，导致接收机不能连续跟踪信号，也称为信号失锁，当重新跟踪到卫星信号时，其载波相关观测值的未知整周部分会发生变化，这种变化即为周跳[20-22]。在对北斗基准站进行数据质量分析时，常用观测值个数与周跳次数的比值，即周跳比来衡量观测数据质量的好坏。当周跳比大于2000时，一般认为观测数据质量较好。

2.2.6 信噪比

信噪比(SNR)是指接收机或电子系统内接收的载波信号强度与噪声强度之间的比值[23-24]。SNR主要受天线增益参数、接收机中相关器的状态、多路径效应三个方面的影响，信噪比越大，信号受到的影响越小，观测数据的质量就越好[25]。通过分析IGS站点数据信噪比，当SNRL1数值大于42.00，SNRL2数值大于35.00时，观测数据质量较好。

3 研究区数据分析

3.1 各项指标均值分析

使用数据缺失天数统计软件与TEQC数据预处理软件，对山东半岛地区31座北斗导航定位基准站2021年全年观测数据进行质量检查，数据完整性、数据观测时长、观测值有效率、多路径效应、数据信噪比和周跳比统计见表1、图1—图5。

图1 北斗基准站数据完整性统计

图2 北斗基准站数据观测时长统计

图3 北斗基准站数据观测值有效率统计

图4 北斗基准站多路径效应MP1、MP2统计

图5 北斗基准站周跳比统计

表1 山东半岛北斗基准站数据质量统计

数据完整性大于330d的站点有29个，占基准站总数的93.55%，其中有22个站点的数据完整性为365d，即全年每天都有观测数据，只有JIZH与SDZT两个站点数据完整性小于330d，不满足《卫星导航定位基准站网运行维护技术规范》的要求。数据每天平均采集时间大于22.50h的站点有27个，占基准站总数的87.10%；周跳比大于2000的站点有29个，占基准站总数的93.55%；多路径效应MP1值小于0.50的站点有29个，占基准站总数的93.55%；多路径效应MP2值小于0.50的站点有29个，占基准站总数的93.55%；观测值有效率大于85%的站点有29个，占基准站总数的93.55%；RZRS和ZNRS站点的数据质量较差，这两个站点MP1与MP2值均大于0.50、周跳比小于2000且观测值有效率小于85%；所有站点的SN1值均大于42.00，SN2值均大于35.00。

3.2 特殊站点分析

3.2.1 观测时长异常站点年时间序列分析

SDPL、LOKO、HJBH、LJZK 4个北斗基准站，观测数据时长的平均值小于22.50h，将以上4个站点单日数据质量检查结果进行整年时间序列分析。4个站点观测数据时长、数据可利用率在2021年年积日024～030d(GPS周2142周)和年积日325～331d(GPS周2185周)出现断崖式下降(图6)，但同期4个站点的MP1与MP2值每天差别不大，说明站点观测环境未发生大的改变，造成数据质量突然变化的原因可能是接收机板卡固件存在故障，造成数据接收异常。上述4个站点，将有问题的2周数据剔除后，统计结果如表2，2个问题GPS周数据剔除后，4个北斗基准站的数据观测时长平均值由22.31h增加到22.80h，满足《卫星导航定位基准站网质量评定规范》中每天观测时长大于22.50h的要求，同时数据可利用率与周跳比也有一定质量的提高。在进行后续研究时，应剔除GPS周2142周和2185周数据。

表2 问题周数据剔除前后HJBH、LJZK、LOKO、SDPL站点数据质量统计

3.2.2 多路径效应、观测值有效率及周跳比异常站点年时间序列分析

RZRS、ZNRS 2个北斗基准站，数据观测值有效率均值小于85%，周跳比均值小于2000，且多路径效应MP1值与MP2值均大于0.50m。对这2个站点单日数据质量检查结果进行整年时间序列分析。RZRS站点各项数据评价指标无周期性规律，站点每天的数据可利用率都在80%以下、MP1值基本都大于0.50，MP2值均大于0.50，周跳比都在3500以下，结合外业巡检的环境照片，站点周围高楼较多，观测环境很差，致使该站点数据质量不好，不满足《卫星导航定位基准站网质量评定规范》中关于数据观测值有效率与多路径效应的相关规定，故在进行后续研究时，将该站点舍弃。ZNRS站点各项数据评价指标全年可分成2个阶段，该站点在年积日291d进行了环境治理，砍伐了周围的高树。在年积日291d之前，该站点由于周围有高树遮挡，各项数据评价指标呈现出周期性变化，特别是MP1与MP2值尤为明显，在冬季时，树木的树叶掉落，多路径效应值处在较低水平，随着天气转暖，树木枝叶茂盛，在夏季站点多路径效应值显著增加，并一直保持较高水准，这段时间中，数据观测值有效率及周跳比也有相同变化趋势，说明站点周围树木枝叶的遮挡对该站点数据质量影响较大。在年积日291d进行砍树后，该站点数据观测值有效率虽然有所上升，但仍处于85%以下，MP1、MP2值较之前明显下降，但仍都高于0.50，综合考虑，虽然ZNRS站点进行了环境整理，但该点位数据质量仍然较差，不满足《卫星导航定位基准站网质量评定规范》中关于数据观测值有效率与多路径效应的相关规定，所以在进行后续研究时，将该站点舍弃。

3.2.3 观测数据质量明显提升站点年时间序列分析

在例行巡检时，发现WEIH与SDLA 2个北斗基准站站点观测环境良好，但数据观测值有效率及周跳比指标较差，怀疑接收机异常，所以在年积日第158d、160d分别对WEIH站和SDLA站更换了接收机，同时对站点周围环境进行了清理。如图7及表3所示，接收机更换前，2个北斗基准站的数据观测值有效率分别仅为83.24%与82.32%，不符合《卫星导航定位基准站网质量评定规范》中的规定，更换后，站点的数据可利用率分别达到97.40%与96.94%，符合《卫星导航定位基准站网质量评定规范》要求。2个站点的周跳比也有显著提升，其中WEIH站点从更换前的18369增加到23335，提升27.04%，SDLA周跳比增幅更加明显，从2686增加到了23225，提升了764.72%；同时，2个站点的多路径效应值指标也略有提升。在进行研究时，分别将WEIH站点年积日158d前数据和SDLA站点年积日160d前数据剔除。

表3 更换接收机前后WEIH、SDLA站点数据质量统计

图7 WEIH、SDLA站点数据观测观测值有效率、多路径效应MP1、MP2、周跳比时间序列

3.2.4 缺失天数异常站点分析

JIZH站点全年共收集315d数据，缺失的50d数据集中在1月—2月，因为JIZH站点天馈线电缆因工程施工被挖断，期间胶州因为存在新冠疫情，进行封控管理，所以未能及时修复，胶州于3月初解封，解封后第一时间对该站点天馈线电缆进行修复，修复后，该站点运行稳定，此后未再发生站点数据缺失情况。SDZT站点全年共收集326d数据，共缺失39d数据，缺失的数据主要集中在2个阶段，分别为年积日197～212d与年积日317～335d，第1阶段原因为斋堂岛全岛电缆更换，第2阶段原因为站点UPS设备损坏。除去不可抗力因素造成的数据缺失，2个站点数据完整性均符合《卫星导航定位基准站网运行维护技术规范》要求。

4 结论

本文对山东半岛地区31座北斗连续运行基准站2021年全年数据的数据完整性、数据观测时长、观测值有效率、多路径效应、数据信噪比与周跳比6个质量指标进行评价，经综合分析，针对本文的实验结果，得出以下结论：

(1)大部分站点观测数据质量良好，数据完整性大于330d，数据观测时长大于22.50h，观测值有效率大于85%，多路径效应MP1值、MP2值小于0.50m，周跳比大于2000，符合后续研究要求；ZNRS与RZRS站点观测环境差，观测值有效率、周跳比及多路径效应MP1值、MP2值不符合相关规范要求，在后续研究中，将上述2个站点删除；SDPL、LOKO、HJBH、LJZK4个站点在GPS周2142周和2185周出现接收机故障，其他时间数据质量良好，故后续研究时，将有问题的2个GPS周数据剔除；WEIH与SDLA站点由于接收机与观测环境共同影响，造成前期观测数据质量不符合相关规范要求，在更换接收机和整治环境后，上述2个站点数据质量符合相关规范要求，后续研究时，应剔除更换接收机之前的数据。

(2)加强数据质量动态监测。应及时对各个北斗基准站所产生的数据进行质量检查，当北斗基准站数据质量出现异常变动时，应快速反应，分析产生异常波动的原因，及时排除仪器故障，如更换接收机或升级接收机固件，保障站点数据质量良好。

(3)适时迁移站点。外界观测环境是影响北斗基准站数据观测质量的重要因素，ZNRS与RZRS站点因城市发展，致使点位周围高楼林立，站点观测环境恶劣，造成该点位数据观测质量较差，一直不符合相关规范要求，应考虑站点迁址。