全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候三维坐标、速度及时间信息的空基无线电导航定位系统，已为人类带来了巨大的社会和经济效益。随着对地观测技术的发展，GNSS已在地壳形变、大地测量等领域得到广泛应用。中国大陆构造环境监测网络(简称“陆态网络”)自1998年建成以来，主要以GNSS为观测手段，并结合精密重力和水准测量等多种技术，用于监测中国大陆地壳运动，经过多年基础设施建设，目前已对中国大陆区域实现全覆盖。陆态网络自运行以来，已积累了多年的GNSS连续观测数据，并形成了大数据规模，为科学研究、应用研究提供了多采样率、高分辨率的随时间连续变化观测数据。
然而，正是由于观测数据规模庞大，数据质量便成为关注的焦点。随着时间的推移，很多GNSS站址观测环境出现较大变化，如周围树木遮挡、电磁干扰等，这些都对数据质量产生影响，进而影响资料的后续分析，有时会出现对地壳运动现状的误判。胡亚轩等分析了2015年GNSS数据质量，发现有多个站址观测环境变差，树木、房屋、高压线及(通信)基站等都一定程度上影响了观测数据质量，对项目后续的监测极为不利。
因此，为了保障数据观测质量，《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314-2009) 和《地壳运动监测技术规程》等对各等级GNSS点位选建均提出了一定的要求，以减小多路径效应和周跳等引起的误差。随着观测环境的不断变化和观测数据的逐年积累，快速、常态化的观测数据质量检测机制，能够为GNSS资料的后续分析应用提供质量保障。
2015-2017年中国地震局等多家单位正在实施的地震行业科研专项“大华北综合地球物理场观测及地震预测应用研究”对1998年前后所建的陆态网络GNSS观测站进行了复测。但是主要为监测小组野外观测时的检测，前期对陆态网络等采用流动复测的区域站数据质量检测所做工作很少，缺少对陆态网络等采用流动复测的区域站数据质量的分析工作。
针对这一现状，本文提出一种基于TEQC技术的GNSS区域站观测数据质量检测方法，利用TEQC软件对大华北区域660个站址积累的10期观测数据进行质量检测，根据IGS标准，提取超限站址，对比分析站址周围环境变化，为后续开展观测及分析工作提供参考和保障。
1 质量检测方法 1.1 误差来源GNSS测量误差主要来源于GNSS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在信号传播过程中会产生电离层折射误差、对流层折射误差及多路径效应误差。前两种误差可以通过一定的方法和后续的基线解算来加以分析和判断。多路径效应不仅与卫星信号方向、反射系数有关，而且与反射物离测站远近有关，无法建立完善的改正模型，从而成为GNSS测量中一种重要的误差源。
1.2 方法原理GNSS数据质量指标的种类很多，过多的指标并不能给GNSS高精度定位提供有效的信息。IGS(International GPS Service)采用4项数据指标，分别为观测数据数目、观测值和周跳比(o/slps)、L1伪距多路径效应(MP1) 和L2伪距多路径效应(MP2)。
在GNSS观测文件(*.00s)中，列出了历元、观测值统计、观测失锁统计、观测值删除统计及比较重要的结果参数MP1、MP2、o/slps值。对于o/slps，一般用另一种较为直观的值，即每千历元的周跳数(CSR)来表示，CSR、MP1、MP2的计算公式如下
(1) 
(2) 
(3) 式中，P1、P2分别表示L1、L2波段上的码伪距观测量；φ1、φ2分别表示L1、L2波段上的载波相位观测量；a为L1、L2波段的频率f1和f2之比的平方(a=f12/f22)。
由UNAVCO(University NAVSTAR Consortium)开发研制的TEQC软件包是一个操作简单但功能强大的GPS数据预处理软件，主要包含数据格式转换、数据编辑及数据的质量检测3个功能。其基本原理是通过伪距和相位观测量的线性组合，计算出L1、L2观测量的多路径效应、电离层对相位的影响、电离层延迟的变化，以及接收机的钟漂和周跳等，以图形和文件两种形式输出结果。
本文主要采用数据的质量检测(quality checking，QC)。通常，QC的结果文件里是输出观测时段MP1、MP2的均方差(RMS)值，结合式(1) 的CSR值，这3个值能较好地反映出台站点的观测环境与观测数据的质量。
2 研究结果分析为了监测地壳水平运动变化特征，陆态网络等项目在大华北地区布设了比较密集的GNSS观测台网，自1999年观测以来，每隔一年实施一次观测，目前已积累10期资料。2015-2017年中国地震局等多家单位正在实施的地震行业科研专项“大华北综合地球物理场观测及地震预测应用研究”拟对1998年前后所建的GNSS观测站进行复测。由于站址已建成10余年，观测环境发生了较大的变化，如公民建房、树木成长、建信号塔等，因此，部分站址观测数据误差超限。
基于本文提出的方法，首先统计提取了观测站数据的MP1、MP2、o/slps值，基于TEQC软件采用qc-full模式对660余个站址累积的数据进行质量检查，得到每个站址数据的年平均值。结果表明，大部分站址的MP1和MP2变化都比较平稳，部分台站CSR变化比较剧烈。
IGS(International GPS Service)的数据质量检测分析显示，超过半数的IGS站的CSR年平均值小于5，2/3以上的CSR平均值在10以下。对于多路径效应而言，2/3的IGS站的MP1平均值小于0.5，而2/3的MP2平均值小于0.75(本文作为判断数据质量的指标限值)。数据的有效率(亦即有效观测量)为实际观测的数据量与计算的理论观测量的比值，该比值也可反映站点的遮挡或受干扰数据中断的情况。地壳运动监测技术规程规定“对基准站高度角在10°以上的观测量中有效观测量应不小于85%，测距观测质量MP1和MP2应小于0.5 m”；“区域站有效时段数据的有效率不低于80%”。陆态网络观测资料的有效观测量都高于85%，根据IGS标准筛选出50个站址(389个文件)超限(空间分布如图 1所示、统计值见表 1)。由于篇幅原因，表 1仅列出了有代表性的GNSS台站的每年的CSR、MP1和MP2的平均值。
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| 图 1 大华北超限GNSS站分布(1999-2015年) |
| 年份 | A067 | B053 | C029 | D037 | |||||||||||
| CSR | MP1 | MP2 | CSR | MP1 | MP2 | CSR | MP1 | MP2 | CSR | MP1 | MP2 | ||||
| 1999 | 0.42 | 0.20 | 0.20 | 26.34 | 0.50 | 0.45 | 0.55 | 0.25 | 0.27 | 0.46 | 0.35 | 0.47 | |||
| 2001 | 1.34 | 0.19 | 0.25 | 10.01 | 0.28 | 0.32 | 16.40 | 1.42 | 1.45 | 3.37 | 1.00 | 0.93 | |||
| 2004 | 1.56 | 0.31 | 0.33 | 0.76 | 0.66 | 0.70 | 0.84 | 0.80 | 0.80 | 1.55 | 1.35 | 1.48 | |||
| 2007 | 5.37 | 0.36 | 0.35 | 0.25 | 0.57 | 0.59 | 0.05 | 0.37 | 0.40 | 12.63 | 1.47 | 1.46 | |||
| 2009 | 26.68 | 1.37 | 1.13 | 2.12 | 0.42 | 0.52 | 0.68 | 0.39 | 0.41 | 4.52 | 0.95 | 1.26 | |||
| 2011 | 4.06 | 1.63 | 1.92 | 3.69 | 0.95 | 1.00 | 1.31 | 0.47 | 0.55 | 11.69 | 2.23 | 2.76 | |||
| 2012 | 6.17 | 1.46 | 1.85 | 9.40 | 1.70 | 1.90 | 3.39 | 1.19 | 1.27 | 17.05 | 2.46 | 2.94 | |||
| 2013 | 5.48 | 1.70 | 1.94 | 17.81 | 2.55 | 2.87 | 10.94 | 1.18 | 1.30 | 6.36 | 1.53 | 1.70 | |||
| 2014 | 11.58 | 1.75 | 2.12 | 35.41 | 2.82 | 3.47 | 5.47 | 1.14 | 1.42 | 0.82 | 0.50 | 0.50 | |||
| 2015 | 13.65 | 1.80 | 1.93 | 89.25 | 2.56 | 2.43 | 16.77 | 1.72 | 1.88 | 0.59 | 0.49 | 0.48 | |||
从表 1、图 2可以看出，超限站址质量变化情况各异。其中A067站1999-2007年MP1、MP2值都优于IGS标准，从2009年开始MP1、MP2值突变至1.3以上且连续6期稳定，对比点之记和站址环境照片发现，在点的东方向有房屋，遮挡高度角约10°；东偏南至南偏西方向有树木，遮挡高度角约40°。B053站从2011开始MP1、MP2、CSR值逐年增大，对比点之记和站址环境照片发现，点的北方向和东方向有围墙，遮挡高度角约30°；南方向有房，遮挡高度角约35°。C029站在2001年有一个突升，2007年后回落到正常水平，2012年开始MP1、MP2值突变至1.3以上且连续6期稳定，对比点之记和站址环境照片发现，点的北方向和南至西方向有树木，遮挡高度角约90°；北偏西至东偏南方向有房屋，遮挡高度角约25°。D037站1999-2007年MP1、MP2值稳定增大，2009年稍有降低，2011年、2012年突变至2.2以上，2013年回落至之前水平，2014年、2015年优于IGS标准。点的东方向有房屋，遮挡高度角约35°。
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| 图 2 超限GNSS站MP1、MP2各期变化(1999-2015年) |
GPS天线除接收来自卫星的直接波外，还能够接收3种间接波：经过地面或地物反射、经过GPS卫星星体反射、大气传播介质散射而形成的间接波。这3种间接波中以地面反射波为主，反射物可以是地面、山坡和测站附近的建筑物等。根据实地考察工作的资料(点之记和站址环境照片)发现，大华北超限GNSS站主要与站址周围树木遮挡增强、建盖楼房及电磁干扰有关，其中树木遮挡是主要因素。
3 结论(1) 本文提出的方法实现了GNSS区域站观测数据质量检测，通过对大华北区域660余个站点10期观测数据的质量检测，验证了该方法的适用性。从结果可以看出，观测数据质量是否合格与观测站周围环境密切相关，因此在GNSS区域站观测数据质量检测过程中，应重点考虑环境因素。
(2) 随着经济发展，GNSS站数据已形成大规模、大区域态势，该方法可以快速、常态化检测GNSS区域站观测数据质量，为制定可行的观测方案、选择合适的接收机机型、优化站址环境等提供了保障，也可为全国GNSS站观测数据质量检测提供方法参考。
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