不同观测环境中基于 TEQC的 GNSS数据质量分析＊

杨 哲 戴吾蛟 余文坤 廖建平

(1)中南大学测绘与国土信息工程系,长沙 410083 2)湖南省精密工程测量与形变灾害监测重点实验室,长沙 410083)

不同观测环境中基于 TEQC的 GNSS数据质量分析＊

杨 哲1)戴吾蛟1,2)余文坤1,2)廖建平1)

(1)中南大学测绘与国土信息工程系,长沙 410083 2)湖南省精密工程测量与形变灾害监测重点实验室,长沙 410083)

为进一步了解多路径效应、衍射误差、电磁波信号干扰对 GNSS信号的影响,利用 TEQC软件对 7种典型观测环境的实测数据进行了质量分析,结果表明：1)树林环境下能够接收到 GNSS信号,但周跳、衍射误差及多路径效应最严重,数据质量差;2)无线通讯基站与雷达站附近的电磁波对 GNSS信号有一定的干扰,而高压线形成的磁场对 GNSS信号干扰影响很小;3)现代测地型天线可有效抑制位于天线水平以下水面的反射信号,但对来自玻璃幕墙的反射信号无抗干扰能力。

观测环境;数据质量;GNSS;多路经效应;TEQC软件

1 引言

GNSS观测数据质量不仅影响其测量精度,而且还可能导致基线解算失败。影响 GNSS观测数据质量的因素有很多,主要包括：电磁波信号干扰、电离层延迟、对流层延迟、多路经效应、信号衍射、接收机噪声、天线电缆的信号衰减等,其中多路径效应、信号衍射、电磁波信号干扰与 GNSS天线周围的环境有密切的联系。在实际测量中,为避免环境因素的影响,常采用回避法。例如在利用 GNSS进行控制测量时,选点通常遵循以下原则：接收机天线与大功率的无线电发射台和高压输电线的距离不得小于200m;观测站附近不应存在大面积水域或对电磁波反射(或吸收)强烈的物体;观测站周围障碍物的高度角一般要小于 10°～15°[1]。然而,一方面在有些实际工作中,这些观测环境无法避免,因此需要对这些环境的观测数据进行评价,以判定是否满足各种不同实际工作的要求;另一方面随着接收机与天线性能的提高,其对电磁波信号有一定的抗干扰能力,对多路径效应也有一定的抑制作用,通过对这些典型环境的观测数据进行评价,可以检验现代接收机与天线在抗干扰和抑制多路径效应的能力,或可能修改一些常规测量选点的原则。为此,本文分别在雷达站、无线通讯基站、湖泊、高压输电线、树林、空旷的楼顶和玻璃幕墙 7种环境下采集数据,以 TEQC软件为基础,并选取了一些指标,对这些不同观测环境下的单站数据进行了质量分析与统计,从而为实际测量工作提供参考。

2 观测环境与数据采集

为分析不同环境下的 GNSS数据观测质量,选择了 7种不同环境下的观测实验,分别为雷达站、无线通讯基站、湖泊中央、高压输电线、树林、空旷楼顶与玻璃幕墙旁边。雷达站的观测点位于岳麓山山上的雷达站附近约 50 m处 (图 1(a)),该站点位于路边;无线通讯基站的观测点位于岳麓山山上的联通信号发射基站附近约 20 m处(图 1(b));周围具有大面积水体的站点位于中南大学南校区后湖 (图 1 (c)),该站点观测环境十分开阔;高压输电线的站点位于中南大学新校区潇湘路及后湖路的交界处的人行道旁的高压线下(图 1(d)),该站周围空旷,道上过往的人和车也很少;树林观测点位于中南大学采矿楼楼前 (图 1(e)),周围有一些树叶并不密集的树木,遮挡较为明显;空旷楼顶的观测点位于中南大学校本部桃 C学生公寓楼顶 (图 1(f)),地势较高,周围空旷,没有任何遮挡;玻璃幕墙环境的观测点位于中南大学新校区 A座教学楼旁 (图 1(g)),点位周围楼房多为玻璃幕墙。为了今后能够组成基线进行分析,本次实验还选择了一个位于中南大学文学楼楼顶上的站点作为基站 (图 1(h)),该站地势较高,视野开阔。

数据采集分 4组进行,即：雷达站-无线通讯基站-基准站、高压输电线-湖泊-基准站、树林-空旷楼顶-基准站、玻璃幕墙-基准站。每组观测时间约为当地时间 9：00—17：00,共进行了 4天的数据采集工作。基准站采用南方灵锐 S82双频接收机,其他观测站采用两台 Thales双频接收机进行静态观测。数据采样间隔为 5 s,截止高度角设置为 0°。

3 基于 TEQC的单站数据质量分析[2-4]

图1 观测环境Fig.1 Observation environments

图 2～8是 7种环境下采集数据的L1多路径效应图,表示各卫星观测时间内发生多路径大小的变化情况;图中的颜色条分别代表不同的卫星。表 1是根据不同指标对 7种测站环境的数据质量进行的汇总统计。

图2 树林环境下的多路径图Fig.2 Multipath in the environment under Trees

图4 通讯基站环境下的多路径图Fig.4 Multipath in the environment near communication base station

图5 雷达站环境下的多路径图Fig.5 Multipath in the environment near radar station

在树林观测环境下的信号质量很差,数据采集率较低,同时多路径也比较严重,但整个时段观测到的卫星总数有 21颗(图 2、表 1)。说明 GNSS信号能够穿过树叶到达天线,但由于树叶遮挡,卫星信号强度损失严重,接收机只能接收到极弱的信号,甚至信号失锁,同时树林环境容易产生信号衍射及反射,导致多路径效应严重。

图 6 大面积水域环境下的多路径图Fig.6 Multipath in the environment near large area ofwaters

图7 高压线环境下的多路径图Fig.7 Multipath in the environment under high-voltage line

图8 玻璃幕墙下的多路径图Fig.8 Multipath in the environment near glass curtain wall

楼顶观测环境下的观测数据的信噪比都比较高(图 3、表 1),多路径效应误差很小,很少有周跳,说明数据质量很高。

从图 4及表 1可以看出：该测站观测数据周跳发生频繁,数据采集率只有 69%。说明无线通讯发射塔附近的电磁波信号对 GNSS信号有一定的干扰,导致在观测过程中发生了卫星信号失锁现象。但是由图 1(b)测站环境可以看出,该测站不是很开阔,还受到了基站房屋和周围一些树木遮挡的影响。

在雷达环境下的观测数据质量比通讯基站环境的观测数据质量稍好,但同样信噪比不高、周跳发生频繁、数据采集率低,这说明雷达信号对 GNSS信号同样存在干扰(图 5、表 1)。

一般来说,水面的信号反射系数很高,发生多路径效应会比较严重。但从图 6表 1可知在大面积水域环境的观测数据质量仍然很高,受多路径效应的影响很小。这主要是因为现代测地型天线的底部都有防多路径反射信号的抑制板,可以有效地抑制位于天线水平以下的水面反射信号;此外,该测站十分开阔,也没有其他信号的干扰。所以我们认为,利用现代 GNSS接收机和测地型天线在水域附近同样可以进行高精度测量。

图 7及表 1表明高压线环境下的数据质量较好,说明高压电产生的电磁波对 GNSS信号干扰较小。

从图 8及表 1(卫星截止高度角设置为 15°)可以看出：玻璃幕墙环境下的平均多路径效应误差并不大,但有部分观测数据的多路径效应误差很大。结合观测环境图 1(g)分析可知,该测站附近只有一面玻璃幕墙,这样只有部分方向的卫星信号才会发生反射,而且反射信号很强,可能导致周跳发生,所以该测站的周跳发生频率很高。

表 1 不同观测环境下数据质量指标Tab.1 Indices of data quality in different environments

综上 7种典型观测环境的数据质量分析,总结如下：

1)不同观测环境中数据质量差异很大。这 7种环境中,树林环境下多路径误差最大,其均方差达到了 0.83 m,而开阔的楼顶环境下的数据质量最好,多路径均方差只有 0.12 m。

2)GNSS信号能够穿透较稀疏的树叶,但信号强度减弱明显,容易导致信号失锁,产生周跳;树林环境容易产生信号衍射及反射,导致多路径效应严重。

3)高压输电线产生的电磁场对 GNSS信号影响很小,而无线通讯基站和雷达站附近的强电磁波信号对 GNSS信号有一定的干扰。

4)现代测地型天线底部一般都有防多路径的抑制板,可以有效地抑制天线水平以下的反射信号,因此大面积水域环境中的数据质量仍然很高,可以进行高精度测量。

5)玻璃幕墙可产生很强的反射信号,多路径效应严重且容易导致周跳发生。

4 结束语

利用 TEQC软件对不同环境下的 GNSS数据质量进行统计分析可知：树林环境下,接收机能够接收到 GNSS的信号,但衍射误差与多路径效应最严重,数据质量不高;无线通讯基站与雷达站附近都有一定的电磁波信号干扰,而高压线形成的磁场对 GNSS信号干扰影响很小;玻璃幕墙下 GNSS的反射信号很强;现代测地型天线可有效抑制位于天线水平以下水面的反射信号。不同观测环境对普通 GNSS测量的影响,以及在不同观测条件下如何提高 GNSS测量精度将在另文中进行阐述。

1 周忠谟,易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用 (修订版)[M].北京：测绘出版社,1997.(Zhou Zhongmo,Yi Jiejun and ZhouQi.The theory and application of GPS satellite surveying[M].Beijing：SinoMaps Press,1997)

2 雏卫民.GPS观测数据误差分析及质量评价[D].同济大学,2007.(Chu Weimin.Error analysis and quality evalulation of GPS data[D].TongjiUniversity,2007)

3 胡金林,等.GNSS参考站环境测试分析关键技术研究[A].测绘科技信息交流论文集[C].2007.(Hu Jinlin,et al.Research on key technologies for environment test of GNSS reference station[A].Forum for technology information of surveying[C].2007)

4 古伟洪,田鹏波,王振辉.运用 TEQC软件对 GPS数据的预处理与质量评定[J].地理空间信息,2008,6(6)：37-39.(GuWeihong,Tian Pengbo and Wang Zhenhui.Applications of TEQC to GPS data pre-processing and quality checking[J].Geospatial Infor mation,2008,6(6)：37-39)

QUAL ITY ANALYSIS OF GNSS DATA BASED ON TEQC IN D IFFERENT ENVIRONM ENTS

Yang Zhe1),DaiWujiao1,2),YuWenkun1,2)and Liao Jianping1)

(1)Departm ent of Surveying Engineeringamp;Geo-Infor m atics,Central South University,Changsha 410083 2)Key Lab.Of Precise Engineering Surveyingamp;Defor m ation D isasterM onitoring of Hunan Province, Changsha 410083)

Multipath,signal diffraction and electromagnetic signal interference are the main factors to decrease the quality of GNSS data.All of these factors are related to the environment of the station.To know more about the relationship between the environment and data,the GNSS data collected from 7 stations in different environments are analyzed by using TEQC software and baseline solutions.The results show the following problems.1)Cycle slip,signal diffraction and multipath effect are the most seriouswhen the GNSS antenna under trees.2)There is a certainextent of electromagnetic signal interference nearwireless communication base station and radar station,but less under high voltage trans mission line.3)Modern geodetic antenna is immune to the reflected signal when the antenna is above the water surface,but power-less to the reflected signal from the glass curtain wall.

observation environment;data quality;GNSS(Global Navigation Satellite System);multipath effect; TEQC(Translate,Edit,Quality Check)

1671-5942(2010)05-0135-05

2010-05-10

国家自然科学基金(40704002);湖南省科技重大专项(2008FJ1006);中南大学创新实验基金(LE10278)

杨哲,女,1988年生,硕士研究生,主要从事 GNSS应用研究.E-mail：yangzhewinner@163.com

P207

A