GNSS数据质量分析及影响因素研究

学士学位论文论文题目GNSS数据质量分析及影响因素研究摘要全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，简称GNSS系统）是综合美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟伽利略卫星导航系统（Galileo）以及中国北斗（BDS）卫星导航系统的一个综合性卫星导航定位系统。GNSS系统是自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能，还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，通过对各个卫星导航定位系统之间通信协议、服务协议的统一，最终实现全球化服务，目前主流的卫星包括GPS卫星、GLONASS卫星、BDS卫星、Galileo卫星等。目前我国范围内也已经开展了国家现代测绘基准体系基础设施建设项目，主要就是依托于兼容GPS、GLONASS、Galileo及BDS的卫星导航定位系统进行我国现代测绘基准体系的建设，在我国范围内提供全天候、高效率、高精度的位置服务。随着GPS、GLONASS、Galileo及BDS四大导航卫星系统的不断发展及完善,全球导航卫星系统进入多星座多频融合的新时代。观测数据是GNSS定位主要的信息之一,基于其正确解析,实施质量分析与完好性评价,是正确建立GNSS融合函数模型和随机模型的重要理论依据,是进一步提高GNSS定位精度、可靠性、可用性等性能的前提。本文围绕GPS/GLONASS/Galileo/BDS多系统高精度定位的现实需求,开展了GNSS观测数据完好性分析与质量评估方法的研究，为了便于表述，本文以GPS卫星观测数据为例，首先介绍GPS定位的原理，其次结合GPS观测方程分析观测方程中各误差项的误差来源以及其如何影响定位精度，随后介绍GPS观测文件，通过对GPS观测文件内容的介绍分析各个数据项的意义及其作用，以及外界环境对个数据项的影响。最后设计实验，通过采集数据，将得到的数据利用目前比较普遍使用的商用软件分析GPS观测电文的内容与检校方法，以实际的例子结合图表分析总结GPS电文中各个项的国际标准以及对数据质量中和评价的影响。通过本次毕业设计旨在全面掌握GNSS系统的定位原理，以GPS观测数据为例彻底梳理GNSS电文数据质量的分析方法以及影像其数据质量的相关因素，并总结理论层面和实践层面的经验用于指导后期相关实践作业。关键词：卫星导航定位系统；数据质量；多路径效应；周跳探测；RTKLIB；TEQCABSTRACTWiththecontinuousdevelopmentandimprovementofGNSSsystem,globalnavigationsatellitesystemhasenteredaneweraofmulti-constellationandmulti-frequencyintegration.ObservationdataisoneofthemaininformationofGNSSpositioning.Basedonitscorrectanalysis,qualityanalysisandintegrityevaluationaretheimportanttheoreticalbasisforthecorrectestablishmentofGNSSfusionfunctionmodelandrandommodel,andthepremiseforfurtherimprovingGNSSpositioningaccuracy,reliability,availabilityandotherperformance.ThisarticlearoundtheGPS/GLONASS/Galileo/BDSsystemistherealisticrequirementofhighprecisionpositioning,carriedouttheGNSSobservationsreliabilityanalysisandthemethodforevaluatingthequalityofresearch,inordertofacilitate,GPSsatelliteobservationdata,forexample,thispapercombinedwiththepositioningprinciple,theprincipleoferrordetection,data,multipatheffect,efficientaspectsoftheoryandexperimentdata,theGPSdataqualityanalysismethodsandinfluencefactors,finallysummarizesthetheoreticalandpracticallevelofexperiencetoguidepracticeassignmentslateKeywords:GlobalNavigationSatelliteSystem(GNSS);dataquality;multipatheffect;cyclejumpdetection;RTKLIB;TEQC目录摘要 3ABSTRACT 4第一章绪论 71.1研究背景与意义 71.2国内外研究现状 71.3研究内容和技术路线 81.3.1研究目标 81.3.2研究内容 91.3.3技术路线 91.4论文的结构安排 10第二章理论知识 102.1GPS卫星定位理论 112.1.1伪距 112.1.2载波相位 112.1.3GPS观测方程 112.2GPS定位误差来源 122.2.1来源于卫星的误差 132.2.2来源于接收机的误差 132.2.3信号传输过程中的误差 142.3衡量GPS观测数据质量的指标项 162.4数据质量分析工具 172.4.1TEQC软件 172.4.2GAMIT/GLOBK软件 182.4.3RTKLIB软件 18第三章实验方案及数据质量分析 183.1实验方案 183.1.1前期准备 193.1.2数据采集方案制定 193.1.3实地采集GPS静态观测数据 203.2观测数据整理与处理 223.2.1数据格式转换 223.2.2利用TEQC软件进行数据质量分析 233.3数据质量分析及影响因素研究 253.3.1数据质量分析 253.3.2数据质量影响因素研究 253.3.3数据质量分析需要综合各方面因素进行考虑 26第四章总结 26致谢 27参考文献 28

第一章绪论1.1研究背景与意义随着GNSS技术的不断发展，以GNSS技术为依托的位置及导航服务正在飞速发展，一部分是基于连续运行基准站的实时位置服务，另一部分是基于静态观测的高精度事后数据处理服务。针对例如变形监测、高等级控制测量等依赖于GNSS高精度事后静态数据处理服务的项目，静态观测数据质量的好坏直接影响其服务质量，然而由于GNSS静态观测过程中信号会不可避免地会受到外界干扰，例如电磁干扰、震动、风动、多路径干扰、电离层和对流层干扰等等，同时还会受到仪器自身的噪音干扰，这些都会在一定程度上影响信号质量，故在依赖于静态数据相关服务数据进行静态后处理之前首先要做的就是对静态数据的质量进行全面的分析，只有挑选出合格的观测数据才能为后续工序的顺利完成提供保障。因此，在进行静态数据后续处理之前，进行数据质量分析是非常有必要的，本次毕业设计以此为题，不仅可以通过毕业设计的实施巩固和梳理相关理论知识，同时可以积累实践经验，为后续学习和工作做好技术铺垫和知识储备，非常具有实际意义。1.2国内外研究现状GNSS系统最初是由欧盟提出并组织实施建设的，由于在卫星导航定位技术发展初期，美国率先研制出的全球定位系统（GPS）系统得到的很好的应用，不论是在定位技术、导航技术还是在授时技术上，在当时的情况下美国都处于垄断地位，可以说因为全球定位系统（GPS）的存在，美国在一定程度上对全球空域掌握了主动权，这一点不论是从全球战略形势还是从各个国家国防安全军事部署上来讲，对出美国以外的各个国家都是一种威胁，在民用领域，由于美国对全球定位系统（GPS）具有绝对的管理权，不论从经济方面，还是从国家秘密方面而言，美国因其掌握了全球定位系统（GPS）的技术垄断[1,2,3]，而独享其各种成果。GPS技术是目前最为先进的卫星定位技术之一，其定位技术也是在不断地发展之中，但是无论采用哪种GPS定位技术，GPS观测数据质量合格是首要条件。GPS技术发展至今对于GPS观测数据质量分析的研究也是屡见不鲜，国内外很多学者专家先后都曾多次以此为主题展开研究[4,5,6]。目前最为主流、应用最多的GPS静态观测数据质量分析软件是TEQC软件，TEQC软件因其强大的功能和可对静态观测数据极强的可编辑性而被国际认可并广泛运用与GNSS数据质量分析研究工作当中。但是由于其数据质量分析结果表现不够直观，所以越来越多的学者或者业内人士通常选在TEQC与QCVIEW、GAMIT/GLOBK、RTKLIB等第三方软件相结合，利用第三方软件强大的绘图功能实现数据质量分析的可视化，不仅更加只管，而且更加有利于分析造成数据质量问题的原因。在此基础上，还有很多学者因为其他的功能需求[7,8,9]，但是目前已有的TEQC与第三方软件尚且不能实现相应功能，于是不少学者便在原有基础上对TEQC软件进行改进以满足其数据质量分析的需求。例如目前TEQC软件仅支持对RINEX2.X格式版本的数据进行有关数据质量分析，但是对于兼容北斗的RINEX3.X格式版本的数据则无法完成相应数据质量分析，于是很多学者便在原有基础上进行改进，再例如目前TEQC对于RINEX格式的数据分析和编辑功能已经十分强大，但是对于信号中存在的噪音并没有很好的消除效果，为了能够满足对高精度信号质量的分析，很多学者将TEQC与小波变换、高斯滤波等技术手段结合起来，对观测数据进行质量分析和编辑，取得了很好的效果。1.3研究内容和技术路线1.3.1研究目标观测数据文件是GPS观测的直接数据成果，观测文件数据质量分析是对观测数据进行处理的第一步，也是十分重要的一个环节，只有拥有符合有关规范和标准的观测数据才能够备用与后续基线解算等工序的执行。本文的研究目标是在充分掌握有关GPS定位的相关理论的同时，掌握衡量静态观测数据质量的主要指标的意义，以及外界对其的影响因素，掌握分析静态观测数据质量的分析方法，能够灵活应用有关理论指导实践工作，能够在实践中应用理论知识有效规避影响数据质量的外界干扰，最终能够提交质量达标的静态观测数据。1.3.2研究内容遵照本次毕业设计的主题，结合在校学习期间掌握的有关理论知识，设计实验实地采集有关数据，以GPS观测为例，对GPS静态观测数据质量进行分析，完成静态数据预处理工作。主要包括以下几个方面：第一、明确GPS基本观测原理，通过对理论知识的回顾，再次重温GPS观测定位原理以及相应观测量。第二、分析GPS观测过程中的误差来源，结合误差理论通过对误差项的分析掌握在GPS观测过程中误差引入来源，从而为后期分析观测数据误差项提供帮助，同时可以在误差源的合理规避和误差影响减弱方面提供储备。第三、对GPS观测数据质量评价指标进行研究，通过对现行相关规范和标准的深入研究，结合GPS定位理论，理解影响GPS观测数据质量的各个指标的含义以及分析方法。第四、设计实验方案，本次毕业设计的研究内容需要结合实测数据进行分析，故需要通过理论研究，有针对性有偏向性地设计数据采集方案，对于数据采集点位、时段、环境等的选取以及对比方案的设计将直接影响最终分析结果，而且对实验对比效果也会产生一定的影响。数据采集方案设计合理，观测环境冲突显著、点位、时段选择得当，则后期对比效果明显，有利于结论的顺利分析得出。第五、结合数据质量分析软件以及第三方可视化软件进行数据质量分析，一方面掌握数据质量分析软件TEQC以及可视化软件RTKLIB、QAVIEW等的使用方法，另一方面通过数据分析结果分析影响数据质量的各方面因素以及探索规避方法，通过整体的分析研究总结经验指导后续类似工作。1.3.3技术路线本文以GPS定位原理、误差原理、GPS数据处理理论为理论基础，以全球定位系统（GPS）测量规范（GBT18314-2009）、全球定位系统实时动态测量(RTK)技术规范（CHT2009-2010）、工程测量规范（GB50026-2007）、城市测量规范（CJJ8-1999）、全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范（GBT28588-2012）等国家标准和规范为技术依据，以自行设计的实验方案采集静态观测数据，以GPS观测数据为例进行数据质量分析。首先，在GNSS静态数据采集过程中做好观测记录；其次，将观测数据进行下载、整理、预处理以及做好备份工作；第三，利用数据质量分析软件和其他相关软件对数据质量进行分析，从数据有效率、多路径效应、周跳比等方面进行数据质量分析；第四，结合误差原理和实验方案，对影响GPS观测数据质量的因素进行分析；第五，对数据质量不佳或不符合要求的观测数据处置方法提出建议。1.4论文的结构安排本次毕业设计是对所学专业课以及相关课程的一次综合梳理，具有一定难度，从选题到理论知识储备再到方案设计再到实验数据分析再到最后的总结，整体部署有条有理，时间安排饱满紧凑，现将该篇论文的结构安排概述如下：第一章，分析本次课题的研究背景和意义，对GPS数据质量分析相关研究历程及现状进行了解，掌握目前国内外相关技术的发展现状，最后明确本次毕业设计的主要研究内容和技术路线，以及结构安排。第二章，理论知识储备，将涉及到的核心理论知识以及相关的理论知识进行一个整体的梳理，先从理论层面彻底搞懂GPS定位原理、误差来源、数据构成、数据质量分析方法、误差削弱及预防的办法等等，为后期实验设计和实验数据分析做充分的准备。第三章，实验方案设计以及实验数据分析，利用所学理论知识设计合理的实验方案，对点位选取、观测环境选取、实验数据分析对比办法、数据质量分析软件的使用等进行详细介绍，最后结合实验数据对影响GPS数据观测质量的各方面因素进行分析。第四章，总结本次毕业设计的结论，回想毕业设计和毕业论文写作过程中遇到的问题以及解决方法，分析毕业设计过程中取得的成果和收获，分析毕业设计过程中存在的不足，并对今后相关的学习和工作进行展望。第二章理论知识实践是检验理论的唯一标准，理论是指导实践的一把利剑，在进行实验数之前首先需要对相关理论知识进行温故和梳理，掌握重点知识通过理论知识的学习才能明确实践过程中应该注意哪些事项，以便帮助我们顺利地实施并完成本次毕业设计。2.1GPS卫星定位理论GPS定位原理理论中指出伪距观测值、载波相位观测值是GPS定位的基本观测值。伪距观测值指天线相位中心至卫星间的距离，主要用于精度要求不高的定位场合和数据预处理。从实验结果来看，使用C/A码的实时伪距单点定位精度为30m，使用P码的实时伪距单点定位精度为10m[10,11,12]。载波相位观测值的精度为亚厘米级，实现高精度定位必须用相位观测值。2.1.1伪距伪距观测量是指将卫星发射的测距码信号与接收机产生的复制码信号，进行比对，通过调整接收机里面的时延器，使两种码完全对齐，由于这个距离观测值受到与卫星相关的误差、与接收机相关的误差以及大气折射误差的影响，所以称之为伪距。GPS卫星发射两种测距码信号：C/A码和P码[13-16]。测距码的观测噪声比载波相位观测值的噪声高，但是测码伪距观测值没有模糊度解算问题，所以常用它来解算测站点的近似坐标。2.1.2载波相位载波相位测量的原理是将接收到的信号进行相关处理之后再进行相位差的测量，从而确定传播距离的方法。载波相位观测量在能获得观测起始整周模糊度的情况下，较测距码而言其精度具有很大提升，约是前者的一百到一千倍[17,18]。2.1.3GPS观测方程GPS观测量含误差影响的伪距与载波相位的非差观测方程分别为：(1)[19](2)[20](3)式中：表示的是伪距观测值；为接收机与卫星天线相位中心之间的距离；(，，)表示在t时刻的三维坐标；(，，)表示接收机天线在时刻的三维坐标；c为真空中的光速；为载波的频率；为卫星的卫星钟差；为接收机钟差；为电离层延迟引起的偏差；为对流层延迟引起的偏差；为接收机对卫星的相位观测值；为卫星的载波相位的整周模糊度；伪距观测方程为：(4)线性化后的观测方程为：(5)式中:是待测几何距离；()代表接收机位置坐标。2.2GPS定位误差来源结合GPS定位原理和误差理论可知，在GPS定位过程中影响观测数据质量的主要的误差来源于以下三个方面：来源于卫星的误差、来源于GPS接收机的误差、来源于卫星与接收机之间的误差[21]，即信号传输过程中的误差。来源于卫星的误差和来源于接收机的误差来源于星历、钟差、接收机内部噪音、信号接收天线方面的误差等等。同时对于高精度的误差分析还应当考虑潮汐、地球自转、地球自转与太阳公转、引力等相对论方面的误差[22,23,24]。2.2.1来源于卫星的误差1、卫星钟差卫星钟差即卫星之间时间传递的误差，，用以下的二阶多项式进行表示[28-30]：(6)[31]式中：表示卫星钟修正量，表示卫星钟差，表示卫星钟速，表示卫星钟频漂，从GPS卫星的导航电文中可以获得这些参数的信息。2星历误差卫星星历包括广播星历和精密星历，精密星历所给出的卫星位置精度最高[31]。广播星历通过卫星轨道参数来确定卫星轨道，而精密星历则通过采用拉格朗日多项式插值法对卫星已知轨道坐标进行插值，即可求得观测瞬间卫星在空间的位置及运动速度[32]。在数小时的一个时段内，对某一卫星而言其星历误差主要呈系统误差特性；但对视场中n颗卫星而言，其星历误差一般是互不相关的，可以看成是一组随机误差（实施SA政策时这一特性可能被破坏）。卫星星历误差将严重损害单点定位的精度，对相对定位也有一定的影响。2.2.2来源于接收机的误差1接收机钟差修正接收机钟差办法主要有：在单点定位时，利用测距码测定卫星到接收机天线相位中心的距离，根据卫星导航电文给出的参数确定观测瞬间的卫星三维位置和卫星钟差，根据单点定位法解出观测瞬间的接收机钟误差，精度可达0.1-0.2；在载波相位相对定位中，采用观测值星间单差或站星双差的方法，可以有效的消除接收机钟差[39-41]。2观测误差GPS观测误差主要包括观测的分辨误差和接收机天线的安置误差。观测误差属于偶然误差[42,43]。为了消减观测误差，必须精确对中整平，多次量取天线高取平均值作为天线高输入，增长观测时段。3天线相位中心偏差接收机天线的相位中心并非固定不变的，而是随着接收信号的高度角、信号强度和方向等的变化而变化，这被称为天线相位中心变化。天线相位中心变化通常为几个毫米，有些天线可达到几厘米[44]。在相对定位时（<100km），如果工作的同步接收机的天线类型相同，天线严格对中整平且天线盘上的方向标指北，可以通过两测站间求差消除或削弱接收机天线相位中心偏差[45]。2.2.3信号传输过程中的误差1电离层延迟带来的误差为研究电离层对GPS数据质量的影响，首先应该分析电离层的特征，本文研究电离层的特征从GPS双频伪距观测数据入手，利用双频伪距求解TEC的公式如下：（7）[46]式中，TEC表示传播路径上的总电子含量，B表示卫星和接收的硬件延迟的总和，P1、P2表示伪距观测值。2对流层延迟带来的误差GPS信号在穿过对流层时会发生折射现象，从而导致信号传播延迟。电磁波的传播方向和大气的折射率决定了电磁波在对流层的传播速度，传播速度与载波频率无关[47，48]。选用模型是减小对流层折射延迟最常用的方法，还可以利用两测站同步观测求差等方法，当气象条件较稳定，并且基线很短时，两个测站的气象情况大致相同，对基线两端测站的同步观测值之间求差，可以更好的削弱对流层延迟的影响。3因多路径效应而引起的误差在GNSS测量中，由于难以避开接收机周围物体反射的卫星信号，反射信号与直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测结果偏离真值，引起多路径误差[49]，其示意如图1所示。在现阶段的数据获取过程中，因多路径效应影响而引起的误差是最为复杂的。检核多路径效应对数据质量的影响的公式如下：（8）（9）其中，、代表和波段上的伪距观测值；、是和波段上的载波相位观测量；是和波段频率之比的平方。MP1和MP2的值不是固定的，随着时间的变化而变化，它们的值越小，表示获得的观测数据质量越好。图1多路径效应示意图2.3衡量GPS观测数据质量的指标项目前国际上惯用的用于衡量GPS观测数据质量的指标有数据有效率、多路径效应值（MP1、MP2）、信噪比、周跳比（o/slps）等。MP1是指L1载波上的C/A码或P码多路径观测误差；MP2是指L2载波上的P码多路径观测误差；o/slps是指观测值与周跳的比值；信噪比是指GPS接收机接收到的信号强度与噪声强度的比值。对于这些指标，IGS数据质量检测规定有效率大于80%，MP1、MP2分别不能大于0.5m和0.75m[50]。1数据有效率数据有效率反映了数据的完好性和可用性，表征了卫星高度角大于或等于截止高度角上数据中码数据、载波相位数据的完整性。接收机故障或是环境干扰可能导致数据有效率过低。（10）[51]其中，为观测数据中的完整历元数，为理论上可以观测到的历元数。2伪距测量噪声误差伪距定义为信号接收时间与信号发射时间之间的差异与光速的乘积，考虑大气折射效应对光速的影响，伪距观测方程式为：（11）其中，为卫星和接收机之间的几何距离，为信号从卫星到接收机所需的实际传播时间，为接收机时钟钟差，卫星时钟钟差，为电离层延迟，为对流层延迟，为多路径误差，为伪距测量噪声量，代表所有没有直接体现在式（2）中的各种误差总和。3多路径效应误差多路径误差主要指的是卫星信号在传播过程中，受到环境地物的反射，使得信号经过多次反射才能到达接收机，因此产生的信号强度、延时或是相位状态的变化而引起的接收机测量值误差（和）[52]。多径效应会同时给伪距测量值和载波相位测量值引入不同程度的误差，考虑到实际测量中，载波相位测量值中的多径误差要远远小于伪距的多径误差，因此，通常在数据质量检查中提到的多径效应都指的是伪距多路径效应。4周跳比周跳比是指，在载波相位测量中，由于卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变或中断。这种现象可能是由天线的遮挡或是接收机质量问题产生的，通常采用利用理论上可以观测到的历元数与周跳的比值来作为周跳的统计值。（12）2.4数据质量分析工具2.4.1TEQC软件目前，国内外对GPS数据质量的分析大多是建立在TEQC(translation,editingandqualitychecking)软件基础上的。TEQC的主要功能有格式转换、数据编辑和质量检核。格式转换能够将不同厂家的接收机观测文件转换为标准的Rinex文件；数据编辑主要是对观测文件中的内容进行操作，不仅能够对Rinex文件头块进行编辑而且能够对数据文件部分进行操作，质量检核是TEQC软件的核心，可计算出数据利用率、电离层延迟、多路径、周跳比、信噪比等指标值并生成结果文件，但是TEQC存在以下问题：1)必须在DOS界面下运行，操作不方便、界面不友好，而且需要DOS4GW.EXE、QCVIEW32.EXE等程序才可实现绘图功能，可视化功能不强，操作繁琐；2)仅能够对Rinex2.x格式的GPS和GLONASS系统的数据进行质量分析，不能分析Rinex3.xx格式的数据；3）更重要的是不能分析评估中国北斗卫星导航系统的数据质量[53]。本文主要对TEQC质量检核功能进行研究。利用TEQC软件进行数据质量分析时在“运行”中输入cmd启动系统自带的DOS，进入到当前文件夹内。在DOS窗口中输入“teqc+qc-navbjfs0990.10nbjfs0990.10o”完后会生成多个文件“.ion”表示L2频率上的电离层观测值“.iod” 表示L2频率上的电离层观测值变率“.mp1” 表示L1频率上的多路径观测值“.mp2” 表示L2频率上的多路径观测值“.sn1” 表示L1频率上的信噪比“.sn2” 表示L2频率上的信噪比“.azi” 表示卫星方位角“.ele” 表示卫星高度角“.02S” 是质量检查摘要文件其中“.02S”是质量检查统计的结果文件，是TEQC软件的核心部分，主要用于对观测数据的质量评定。2.4.2GAMIT/GLOBK软件GAMIT/GLOBK软件最初是由美国麻省理工学院(MIT)研制的,后又与斯克里普斯(SCRIPPS)海洋研究所(SIO)共同开发改进的一套基于UNIX/LINUX操作系统下的用于高精度GPS数据处理分析软件.处理长基线和连续时段静态定位相对精度可达１０e－８~１０e－９数量级,处理短基线的精度可达１~３mm.不仅精度高、功能强大,而且开放源代码,用户可以根据实际需要进行人工干预进行数据处理。2.4.3RTKLIB软件RTKLAB是由日本东京海洋大学研发的一款用于GNSS精确定位的便携式程序库和多个应用程序工具库组成的开源程序包,具有强大的图形输出功能,可以对接收机观测数据进行卫星可见性、天空视图和高度角等参数进行可视化显示，因其界面友好、操作简洁、图形输出功能强大而被业内人士广泛使用。第三章实验方案及数据质量分析本次毕业设计的主题是通过实验采集数据，并对数据质量进行分析，结合数据观测环境及观测条件分析影响GPS数据质量的因素，本次方案的设计在老师的指导下进行，现将实验方案设计如下。3.1实验方案本次实验主要设计思路是通过不同点位不同环境不同时间条件下进行GPS静态数据观测，将采集到的静态数据和观测记录统一整理之后进行数据质量分析，通过与数据质量分析结果和可视化图形相结合的方式，分析各个点位数据质量与其点位对应的周边环境观测条件以及观测时间段之间的关系，从而分析得出影响GPS静态观测数据质量的主要因素。3.1.1前期准备在实验数据采集之前首先需要做前期准备，只有做好充分的准备才能确保实验的顺利实施，才能在遇到突发情况时可以沉着应对不至于慌乱，所以充分的完备的准备工作是本次毕业设计得以顺利实施的重要一步。首先是明确实验主旨，依据毕业设计目的和实验数据采集方案，实地踏勘，选择实验区域。在实验区域的选择过程中，由于要突出各误差来源中可能对数据质量造成影响的环境差异，以便后期更有利于对比突出实验效果，故在实验区域的选取过程中需要选择通视条件良好、周边开阔无高大建筑物或树木遮挡、周边无雷达、微波、大功率变压器等电磁干扰源、周边无大面积水域或大面积彩钢房等观测条件极为理想的区域，同时作为对比，还需要选择具有高大建筑物树木遮挡、具有大面积水域或电磁干扰等观测环境不是很好的区域。其次是人员投入仪器设备以及已有资料的收集和准备。在实验数据采集的过程中提前制定采集计划，计算好人员数量，所需要的仪器设备的数量和型号，以及数据采集方案设定，同时收集测区地图，提前对测区地形和交通条件进行熟悉，做好在紧急情况下的处置预案，在确保安全的前提下进行相应的数据采集工作。3.1.2数据采集方案制定本次数据采集使用的是四台天宝双频GNSS接收机，仪器编号分别是1603、1599、1613和1564，采样间隔统一设置为10s，高度角统一设置为10°，坐标基准统一采用WGS84坐标系统，数据采集方式采用单点定位模式，为了便于对比，在实验数据采集过程中引入控制变量的思想，四台仪器同步观测，实验数据采集选择在天气良好的连续的三天完成，每天观测三个时段，在数据采集过程严格按照方案进行实施，最终按照方案设定顺利完成了数据采集任务。数据采集表如下表所示。表2数据采集情况汇总表测量时段测量日期起始时间结束时间高度截止角（°）采样间隔（s）距离湖面(m)有无挡板距离楼(m)第1时段2019/4/109:4010:4510103无70第2时段11:0311:0810103有70第3时段12:3013:30101010有30第4时段2019/4/1113:4014:4510106无70第5时段15:0316:08101010有50第6时段16:2818:00101010有50第7时段2019/4/1213:5014:55101010无70第8时段15:1316:18101010有70第9时段16:2818:03101010有70其中：A2点在距楼70m、50m、30m处，测量时分别命名为Z1、Z2、Z3；A4点距湖3m、6m、10m处，测量时点号均命名为A4；A1、A3为固定点。共采集九个时段，每个时段四台仪器同步观测，得到36组观测数据。3.1.3实地采集GPS静态观测数据在静态数据采集的过程中重点在于仪器的架设以及仪器高的量取，同时要确保在整个观测过程中安置好的仪器不能随意移动，若观测前后对中或者整平出现变化，以及观测前后仪器高差大于3mm则视为仪器在观测过程中存在移位现象，则需要重新进行观测。在整个静态数据采集过程，全组人员严格按照课本中对于规范化操作的要求来进行各项操作，最终顺利地完成了各项数据采集任务，各时段的观测记录如下表所示。表3每天各时段数据采集观测记录表测量日期时段点名仪器编号开机时间仪器高（m）关机时间仪器高（m）备注2019/4/101A116039:341.51010:391.510A215999:431.73310:451.732A2号点在距楼70mA316139:401.31210:451.312A415649:401.76810:451.768A4号点在湖边3m无遮挡2A1160311:031.51012:081.510A2159911:051.73312:101.734A2号点在距楼70mA3161311:051.31212:101.312A4156411:031.76912:081.769A4号点在湖边3m有遮挡3A1160312:241.51013:291.510A2159912:301.75513:301.755A2号点在距楼30mA3161312:301.31213:351.312A4156412:301.76513:351.766A4号点在湖边10m有遮挡2019/4/114A1160313:401.51514:451.515A2159913:401.76014:451.760A2号点在距楼70mA3161313:401.35614:451.356A4156413:401.76414:451.764A4号点在湖边6m无遮挡5A1160315:031.51516:081.515A2159915:031.79116:081.791A2号点在距楼50mA3161315:031.35616:081.356A4156415:031.78316:081.783A4号点在湖边10m有遮挡6A1160316:281.51518:031.515A2159916:271.79118:001.791A2号点在距楼50mA3161316:271.35618:011.356A4156416:281.78318:031.783A4号点在湖边10m有遮挡2019/4/127A1161313:501.57014:551.570A2159913:501.80314:551.803A2号点在距楼70mA3160313:501.41914:551.419A4156413:501.73314:551.733A4号点在湖边10m无遮挡8A1161315:131.57016:181.570A2159915:141.80316:191.803A2号点在距楼70mA3160315:131.41916:181.419A4156415:131.73316:181.733A4号点在湖边10m有遮挡9A1161316:281.57018:031.570A2159916:281.80318:031.803A2号点在距楼70mA3160316:271.41918:021.419A4156416:271.73318:021.733A4号点在湖边10m有遮挡3.2观测数据整理与处理3.2.1数据格式转换由于采集得到的数据为“.T02”格式的数据，不能直接用于数据质量分析，故需要将其转换为标准格式，即Rinex格式的数据，故利用CONVERTORINEX软件将“.T02”格式数据转换为Rinex2.11格式的数据。如图2所示。首先在CONVERTORINEX软件中设置需要转换的目标文件版本，此处设置为Rinex2.11，其次，执行“文件/打开”命令，读取带转换的“.T02”文件，点击转换按钮进行转换，如图3所示。转换后得到“.o”文件、“.n”文件以及其他星历文件，如图4所示。3.2.2利用TEQC软件进行数据质量分析将转换完成的文件利用TEQC软件依次进行数据质量分析，并逐一将数据质量问价“.S”文件中关于数据有效率、MP1、MP2、信噪比、周条比等信息进行提取，统计如表4所示。表4数据质量分析各项指标数值统计表时段仪器号点号观测时间长度（hrs）数据有效率（%）Mp1Mp2o/slps11564A41.081990.460.4934551599A21.081890.420.3930291603A10.975980.350.3431051613A31.081990.430.46347421564A41.094870.530.5832131599A21.081810.510.4427931603A11.081960.390.3634941613A31.083980.520.5890231564A41.081940.490.5116011599A20.9972870.580.622851603A11.081980.420.3716731613A31.081970.510.48109541564A41.081930.430.4935561599A21.081770.390.3627691603A11.081980.370.3537331613A31.081990.460.47188151564A41.086980.450.4712751599A21.081860.480.4232461603A11.081990.370.3438011613A31.081960.460.44374261564A41.581970.460.5158821599A21.553800.430.3715861603A11.581990.370.3459931613A31.5811000.460.44602971564A41.081960.50.537611599A21.081840.420.3729961603A11.081990.470.4519301613A31.1970.380.35385581564A41.081990.470.4712441599A21.081800.40.3730231603A11.081980.450.4418561613A31.081990.380.33373591564A41.581880.450.4710661599A21.581850.430.389401603A11.581910.440.4455101613A31.583920.370.3385983.3数据质量分析及影响因素研究3.3.1数据质量分析1数据有效率由表4中统计的数据质量分析数据有效率一列数据可知，整个实验过程中数据有效率最低77%，出现在第4时段的A2点位，数据有效率最高为100%，出现在6时段的A3点位，平均数据有效率为93.14%。2多路径效应多路径效应MP1最小值为0.35，出现在第1时段的A1点位，最大值为0.58，出现在第3时段的A2点位，平均值为0.44，共有6组观测MP1数值超过限差值0.5，约占总观测数的17%；多路径效应MP2最小值为0.33，分别出现在9时段的A3点位和8时段的A3点位，最大值为0.6，出现在3时段的A2点位，平均值为0.43，超过0.5单位超过0.75的观测总共6组，约占总观测数的17%，整体而言，实验观测数据中L1频率上的多路径影响更为严重。3周跳比观测数据与周跳数的比值即为周跳比，常用o/slps表示，故该值越小，则说明观测数据质量越差。实验数据中周跳比数值最小为902，出现在第2时段的A3点位，周跳比最大为8598，出现在第9时段的A3点位。3.3.2数据质量影响因素研究第一、由实验数据分析结果以及统计表格综合分析，当第4时段A2点出现最低数据有效率时，其多路径效应数值并不高，但是周跳比相对较小，结合表3可知，4时段A2点位位于距离楼房70m远的距离，再结合表2中数据可知，第4时段观测时间为中午13:40至14:45，结合周跳比较小的现象，综合分析，造成这种现象的原因可能是由于中午时间段电离层活动较为活跃所致。故需要尽量避开中午电离层活跃时段进行GPS静态观测。第二、由表4中多路径效应的两列数据结合表2数据综合进行分析，表4中多路径效应数值较大的第2时段和第3时段的A2点位，均是举例湖面较近的点位，其中第2时段的A2点位距离湖面仅有3米，由此可知当GPS接收机距离大面积水域较近时，受到多路径效应的影响将增大，故在今后进行GPS数据采集的过程中需要注意尽量避免靠近大面积的水域、光滑的水泥路面等较强的镜面反射区域。第三，由表4中周跳比数据进行分析，第6时段A2点位周跳比明显低于其他点位，由于其属于同一时段观测，在由于电离层以及对流层方面造成的影响程度是相同的，不同之处在于点位与观测环境不同，A2点位位于距离楼房50米的位置，相对而言在本实验中属于中等距离，然而周跳比却突然降低，再分析多路径效应水平与其他三点相当，唯独区别在于A2点位的数据有效率明显低于其他三点，结合表2可知第6时段A2点位出有遮挡存在，结合由周跳比的定义可知，当观测数据越小或周跳越大时，周跳比数值便会越小，则观测数据质量则会越差。3.3.3数据质量分析需要综合各方面因素进行考虑由上述实验结果和分析结果可知，在对GPS静态观测数据进行分析时，不仅要关注各个数据质量指标的数值，同时还需要综合考虑点位所处环境、观测条件、时间段、天气、以及其他指标间的相互影响及关联。数据质量分析是一个综合分析的过程，对于各质量指标的限差也不能过于教条地看待，需要结合实际情况灵活对待。第四章总结本次以GNSS数据质量分析及影响因素研究为题的毕业设计到此已经基本全部实现，从最初的选题、开题到后来的资料收集、文献查阅、关键技术储备、整体构思、方案设计，再到具体实施阶段的数据采集、数据处理，以及最后的数据质量分析、影响因素研究阶段，经历了一个从无到有的过程，这是一个创作的过程，也是一个学习巩固的过程。在进行这个课题的设计过程中，涉及到很多知识点，有的在论文中进行了描述，更多的是在设计的过程中用到了但是没有在论文中进行论述，实则是对自己所学知识的一个温故，通过这一次的课题设计，借助GNSS数据质量分析，系统性地将所学知识加深理解，不论结果怎样，这本身就是一种收获。现在将此次毕业设计实施过程中以及毕业论文撰写过程中遇到的问题和解决办法以及存在的不足和需要改进的地方总结如下。第一，理论知识理解不够深入。通过此次的梳理，发现自己在理论知识方面还是存在很多薄弱环节，需要进一步巩固和不断温习。第二，数据质量分析阶段对于实验结果总结得不是十分到位，对于多元化多变量的数据质量分析还是存在欠缺，今后需要在这一方面多加锻炼，继续提升自己的水平。第三，对于GPS静态观测数据质量的分析不仅仅限于TEQC，还可以借助其他软件进行数图同步分析，或许在分析效果上会更加直观，希望在今后的学习和研究当中能够加强这一方面的尝试。致谢至此以GNSS数据质量分析及影响因素研究为题的毕业论文已经撰写结束，意味着毕业设计也将进入尾声。万事开头难，特别是对于我这种在学校不算是精细学习的人更是难上加难，不过幸而有指导老师的悉心帮助，也有同学们的认真讲解，算是成功的完成了任务。特别感谢我的老师，老师细心而又严格的指导我一步步开展毕业设计顺利实施。刚开始虽然对于老师制定的严格计划表持有犹豫态度，但是看到别人的同学因为玩耍过头怀着惴惴不安的心写论文，而我们论文小组早早的都写好初稿又精细改了一遍又一遍时，心里的自豪感油然而生，这个时候由其感谢老师的詹远性的眼光。在此，我要向我的论文导师表达崇高的敬意和无限的佩服！同时我还要认真感谢我的同学，我平时学习的基础知识不够扎实，在写论文的时候经常遇到瓶颈，当我像我同学寻求帮助时他们都很有耐心的给我解释帮我出注意。在我朋友们的帮助下，我解决问题的额时间大大提高，不用我再耗时慢慢研究，因此我非常感谢她们！最后我还要着重感谢我的学校和我的父母，学校是我的学习知识学会社会生活的外面的家，而父母在的地方是我心理的家，两个家都是我的港湾，都为我认真撰写论文提供了温暖的场所。附件6：参考文献[1]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M],武汉:武汉大学出版社,2010.[2]陈宇,白征东,原波.整数规划在三频组合观测值确定中的应用[J].大地测量与地球动力学,2010,30(6):116-119.[3]滕云龙,师奕兵,郑植.单频载波相位的周跳探测与修复算法研究[J].仪器仪表学报,2010,31(8):1700-1705.[4]李征航,张小红.卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法[M].武汉:武汉大学出版社,2009.[5]于兴旺.多频GNSS精密定位理论与方法研究［D］.武汉大学,2011.[6]伍岳.第二代导航卫星系统多频数据处理理论及应用[D].武汉:武汉大学.2005.[7]刘大杰,施一民,过静珺.全球定位系统（GPS）的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1996.[8]武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础(第二版)[M].武汉:武汉大学出版社.2009．[9]乔仰文,赵长胜,夏春林等.GPS卫星定位原理及其在测绘中的应用[M].北京：教育科学出版社,2003.[10]张勤,李家权.GPS原理及应用[M].北京.科学出版社,2005.[11]陈品馨,章传银,黄昆学.用相位减伪距法和电离层残差法探测和修复周跳[J].大地测量与地球动力学,2010,30(2):120-124.[12]李博峰.混合整数GNSS函数模型及随机模型参数估计理论与方法[D].上海：同济大学，2010.[13]彭秀英.GPS周跳探测与修复的算法研究与实现[D].中国石油大学,2007.[14]谭兆伟.GPS精密单点定位周跳探测与修复方法研究[D].山东科技大学,2009.[15]周保兴.GPS数据预处理方法研究及其应用[D].河海大学,2005.[16]陈春花.GPS精密单点定位若干关键技术研究及软件编制[D].南京:东南大学,2009.[17]李明,高星伟,徐爱功.一种改进的周跳多项式拟合方法[J].测绘科学,2008,33(04):82-83.[18]蔡诗响,张小红,李星星,等.一种基于多项式拟合的单频周跳探测改进方法[J].测绘信息与工程,2009,34(5):1-2.[19]王潜心.GPS数据处理软件中若干问题的研究[D].中南大学信息物理工程学院,2005.[20]汪平,郝金明,沈国康,刘伟平.单频精密单点定位中周跳的处理方法[J].测绘科学技术学报,2009,26(5):337-339.[21]颜剑锋,黄本雄,吕谦.GPS车辆监控系统的原理及实现[J].中国无线通信,2002,6(5):38-41.[22]王泽民,柳景斌(2003).Galileo卫星定位系统相位组合观测值的模型研究[J].武汉大学学报(信息科学版),28(6):723-727.[23]董丽娜,袁运斌,王海涛,王永乾.一种GPS三频非差周跳探测相位组合的优选方法研究[J].大地测量与地球动力学,2012,32(3):106-109.[24]徐园,杨力,耿彦龙.基于多频载波/伪距数据组合进行周跳探测与修复的实现[J].测绘工程,2012,21(3):49-52.[25]范建军,王飞雪,郭桂蓉.GPS三频非差观测数据周跳的自动探测与改正研究[J].测绘科学,2006,31(5):24-26.[26]刘旭春,伍岳,张正禄,等.GPS三频数据在周跳和粗差探测与修复中的应用[J].煤炭学报,2006,31(5):585-588.[27]汪平,郝金明,刘伟平,等.使用多频组合观测值探测与修复周跳[J].测绘通报,2009(6):12-15.[28]王仁谦,朱建军.利用双频载波相位观测值求差的方法探测与修复周跳[J].测绘通报,2004,(8):9-10.[29]熊伟,伍岳,孙振冰,等.多频数据组合在周跳探测和修复上的应用[J].武汉大学学报•信息科学版,2007,32(4):319-323.[30]李博峰,沈云中,徐培亮.不同GPS接收机观测值的随机模型评估[J].科学通报2008,53(16):1967-1972.[31]秦智,北斗全球导航系统(COMPASS)标准国际化的一点思考[J].第一届中国卫星导航学术年会.2010.[32]刘颖,刘根友,陈晓峰.北斗二代卫星导航系统IGSO星增加RDSS功能问题探讨[J].大地测量与地球动力学,2012,32(3):72-75.[33]袁运斌.基于GPS的电离层监测及延迟改正理论与方法的研究[D].中国科学院测量与