0 引言

琼北GPS形变流动观测是琼北火山监测的重要手段之一。“十五”期间，海南省地震局在琼北4大断裂带（铺前—清澜、海口—云龙、长流—仙沟北西向断裂和马袅—铺前北东东向断裂）两侧建立马鞍岭（MALN）、高山岭（GSLN）、加乐（JALE）、白石岭（BSLN）、青山岭（QSLN）、七星岭（QIXL）和雷州（LEZH）共7个GPS流动观测点，组成GPS形变流动观测网，对该区断裂活动进行形变观测，以有效监测火山活动。

琼北GPS形变流动观测网测点基本围绕马鞍岭火山布设，观测网平均边长约10 km，覆盖范围约500 km²。琼北地区GPS流动观测每年监测一期，原来每个测点观测时间不少于48小时，现逐渐改为不少于96小时。文中利用TEQC软件，对琼北GPS流动观测台网7个测点8期（2011—2018年）观测数据进行质量检核，以了解测点观测仪器的稳定性及周围的观测环境是否发生变化，为观测仪器的升级改造和维护及观测环境保护提供参考。

1 软件工作原理

为地学研究GPS监测站数据管理服务的公开免费软件TEQC（Translating，Editing and Quality Check），由UNAVCO Facility研制，是功能强大且简单易用的GPS/GNSS数据预处理软件，其主要功能包括格式转换（Translating）、编辑（Editing）和质量检核（Quality Check）（邰贺，2018）。

TEQC软件不仅对格式转换具有较好的通用性和强大的功能，还可以针对RINEX格式的观测值文件、导航数据文件和气象文件进行编辑，如文件头编辑、文件分割与合并、卫星系统选择和特定卫星禁用、数据采样率更改和特定观测值类型禁用及不同观测值类型的排列顺序更改等。

1.1 质量检核原理

TEQC质量检核原理是，通过伪距和相位观测量的线性组合，计算波段L₁、L₂观测量的多路径效应、电离层对相位的影响、电离层延迟变化及接收机的钟漂和周跳等，并生成多个质量检核文件。在众多质量检核结果文件中，汇总文件（S文件）最为重要，其关键性指标包含数据有效率ratio、L₁载波上的多路径误差M_P1、L₂载波上的多路径误差M_P2和观测值个数和周跳次数的比O/slps等，均输出到S文件。

（1）数据有效率ratio。ratio表示预期历元数与实际历元数的比值。根据观测时设置的卫星截止高度角及相应时段的卫星星历，可计算出理论上可接收的卫星观测值个数OBS_possible，而实际上由于观测环境和接收设备的影响，在该时段接收的实际观测值个数OBS_complete与理论不符（王开锋等，2018），数据有效率计算公式如下

${\rm{ratio}}={\rm{OBS}}_{\rm { complete }} / {\rm{OBS}}_{\rm { possible }}$

式中，OBS_complete为实际历元数，OBS_possible为预期历元数。

对于某一时段，数据有效率ratio可以反映观测数据的质量和测点观测环境的好坏（卢献健等，2016）。

（2）M_P1、M_P2。M_P1、M_P2分别表示L₁、L₂波段上的多路径效应对伪距和相位影响的综合指标，结果以均方差RMS表示，计算公式分别为

$\begin{array}{l}{M_{{\rm{P}} 1}=P_{1}-\left(1+\frac{2}{\alpha-1}\right) \varphi_{1}+\frac{2}{\alpha-1} \varphi_{2}} \\ {M_{{\rm{P}} 2}=P_{2}-\frac{2 \alpha}{\alpha-1} \varphi_{1}+\left(\frac{2}{\alpha-1}-1\right) \varphi_{2}}\end{array}$

式中：P₁、P₂分别表示L₁、L₂波段上的测码伪距观测值；φ₁、φ₂表示L₁、L₂波段上的载波相位观测值；α表示L₁、L₂波段频率之比的平方（纪冬华，2014）。

M_P1反映伪距多路径效应，M_P2反映伪距多路径效应和接收机噪声强度，值越大表明接收机对多路径效应越敏感，值越小，则接收机抗多路径效应能力越强（田云峰，2008）。

（3）O/slps。O/slps表示观测值个数和周跳次数的比，直接反映数据周跳情况，比值越大，表明周跳越少，反之则越多。O/slps也可以用另外一种较为直观的值CSR（每千历元的周跳数）来表示（赵国强等，2009），计算公式为

${\rm{CSR}}=\frac{1000}{{\rm{O}} / {\rm{slps}}}$

式中，O为观测值个数，slps为周跳次数。

1.2 质量检核方式

根据是否利用导航文件信息，TEQC质量检核方式可分为qc-lite和qc-full模式。

（1）qc-lite模式（无导航文件）。若输入文件只有RINEX观测数据文件而无导航数据文件，则TEQC将在qc-lite方式下运行。如运行＞teqc +qc bsln0690.16o，TEQC则对文件bsln0690.16o在qc-lite方式下进行质量检核。通常，在缺省状态下，质量检核结果生成报告文件bsln0690.16S和数据文件bsln0690.ion（电离层延迟）、bsln0690.iod（电离层延迟变化率）、bsln0690.mp1（L₁载波C/A码或P码伪距的多路径影响）、bsln0690.mp2（L₂载波P码伪距的多路径影响）、bsln0690.sn1（L₁载波信噪比）、bsln0690.sn2（L₂载波信噪比）。

（2）qc-full模式（有导航文件或同一目录下有对应的N文件）。如果输入文件为RINEX观测数据文件和导航数据文件，即运行＞teqc + qc - nav bsln0690.16n bsln0690.16o；或者导航数据文件和观测数据文件在同一目录下，则TEQC会自动搜索导航数据文件，而无需用-nav指定，即运行＞teqc + qc bsln0690.16o，此时TEQC对文件bsln0690.16o在qc-full方式下进行质量检核。检核结果除qc-lite方式下的报告及数据文件外，增添卫星和接收机天线的位置信息及bsln0690.azi（方位角）和bsln0690.ele（高度角）2个数据文件。

目前，通过qcview/qcview32、gt、TEQCPLOT、QC2SKY等软件，已实现质量检核结果文件（除汇总文件外）可视化，其中qcview/qcview32、gt、TEQCPLOT为曲线视图，QC2SKY为全星空视图（袁伟等，2011）。

2 观测数据质量检核

采用TEQC质量检核软件的qc-full模式，对琼北火山区GPS形变流动观测网7个测点2011—2018年共8期数据进行质量检核。

2.1 准备工作

进行数据质量检核前，利用TEQC软件的编辑功能，进行文件分割与合并及数据采样率更改，即分天提取琼北GPS流动观测数据，并更改数据采样率。

（1）文件分割。接收机导出的观测数据文件是一个测点一个o文件，时间跨度为该测点观测的起始时间至停止观测的结束时间，包含多天数据。因此，对每年每个测点的数据文件进行分天提取，即为文件的分割（范士杰等，2004）。例如，2016年，固定测点马鞍岭的原始观测数据文件为maln0000.16o，观测时间跨度为2016年3月5日—11日，利用TEQC软件，将原始观测数据文件maln0000.16o进行分天提取，形成文件maln0650.16o、maln0660.16o、maln0670.16o、maln0680.16o、maln0690.16o、maln0700.16o、maln0710.16o。

TEQC是一个命令行运行软件，在DOS/Windows DOS环境下运行相应命令即可。如，teqc - st 160305000000 - e 160305235959 maln0000.16o＞maln0650.16o。上述命令行中，“-st 160305000000”指明时间窗上限为2016年3月5日0时0分0秒，“- e 160305235959”指明时间窗下限为2016年3月5日23时59分59秒，“maln0000.16o”为提取前的文件名称，“maln0650.16o”为提取后的文件名称，必须重新设置输出文件名，即提取前后的文件名称不能相同，否则输出文件为空。

（2）采样率更改。每年观测时采样间隔可能不同，为了统一采样率且便于计算，需要使用TEQC软件对观测数据进行采样率更改。例如，若采样率为15 s或30 s，统一更改为30 s。以2015年马鞍岭测点年积日为第161天的数据为例，将15 s采样数据抽取为30 s采样数据，命令为：teqc - O.dec 30 maln1610.15o＞mal21610.15o。上述命令行中，“- O.dec 30”指明将文件采样率更改为30 s，“maln1610.15o”为更改前的文件名称，“mal21610.15o”为更改后的文件名称。此处必须重新设置输出文件名，即不能与被处理文件maln1610.15o同名，否则将输出空文件。将抽取后的文件名暂改为mal21610.15o，解算前改为maln1610.15o即可。

上述数据分天提取和采样率更改的所有命令行均可通过脚本实现。

2.2 质量检核

采用TEQC的qc-full模式处理观测o文件，得到琼北地区2011—2018年GPS流动观测原始数据的详细数据质量报告。

琼北地区2011—2018年GPS流动观测原始数据的数据有效率ratio、M_P1、M_P2、O/slps统计数值见表 1—表 3。需要说明的是，2014年七星岭（QIXL）、青山岭（QSLN）和白石岭（BSLN）测点及2016年全部测点数据，为采用TPS NET-G3A接收机和TPS CR-G3（扼流圈）天线观测所得，其余数据为采用LEICA GX1230接收机和LEIAX1202GG（准扼流圈）天线观测所得。

数据采集中，当接收机对卫星完成锁定后，正常情况下某一历元所能获得的观测值个数是已知的。若测站周围环境发生变化、接收机出现异常等，引起卫星信号失锁，则影响某时刻接收机对某类型观测值的采集，造成实际采集数据量小于应采集数据量，或者所采集的观测数据误差较大（卢献健等，2016）。因此，测点周围环境和接收机稳定性发生变化，均影响观测数据有效率。

由表 1可见，琼北GPS形变流动观测网各测点2011—2018年观测数据有效率ratio基本在80%左右，且总体呈逐年下降趋势，与各测点周围环境逐渐变差有关，即测点周围树木逐年茂盛，或出现高大新建筑，导致信号遮挡逐年加强。此外，接收机的稳定性存在一定程度的下降趋势。

由表 2不难发现，琼北GPS形变流动观测网各测点2011—2018年观测数据的多路径影响较大，且有逐年上升趋势，尤其是加乐（jale）和高山岭（gsln）测点较显著，说明各测点受多路径干扰较大。

由表 3可见，琼北GPS形变流动观测网各测点2011—2018年观测数据的观测值和周跳比值O/slps，除白石岭（BSLN）测点相对较高，其他测点基本保持在较低水平，且2014年和2016年均存在一个明显高值。白石岭（bsln）测点的观测值和周跳比值O/slps每年均保持相对较高水平，说明该测点观测环境无较大变化。2014年七星岭（qixl）、青山岭（qsln）和白石岭（bsln）测点及2016年全部测点数据的O/slps值均比其他数据高出一个量级，应与不同接收机和天线有关，说明采用TPS NET-G3A接收机和TPS CR-G3（扼流圈）天线，观测数据质量明显较好。

多路径误差大小与反射物系数有较大关系，反射物不同，反射系数一般不同（表 4），GPS接收站周围反射物的反射能力越强，观测数据越容易受到多路径误差影响（吕成亮等，2011）。

琼北地处海南岛北部，森林覆盖率较高，且海南岛一年四季如春，植被覆盖率常年较高。此外，琼北GPS形变流动观测网中，除加乐测点外，其余6个测点均为山体基岩点。可见，琼北GPS形变流动观测网各测点不同程度地受到野地、森林山地和基岩的反射影响。调查发现，自建网至今，各测点周围人类活动不断加剧，高大建筑物不断增多，同时存在不同程度的电磁干扰。结合野外观测调查，发现2013年前后高山岭（GSLN）测点附近出现小型人工湖，加乐（JALE）测点地势较低，近几年周围橡胶树林逐渐高大、茂盛。因此，琼北GPS形变流动观测网各测点受多路径干扰较大，主要由植被反射、水体反射、建筑物反射和不同程度的电磁干扰所致。各测点建成运行以来，周围植被越来越茂盛，导致多路径效应逐年增强，也在一定程度上反映了接收机稳定性有所下降。

3 结语

基于TEQC软件，对琼北GPS形变流动观测网各测点2011—2018年观测数据进行质量检核，结合数据有效率、多路径误差及观测值和周跳比等各指标数据，参考野外观测调查结果进行综合分析，得到以下结论。

（1）琼北GPS形变流动观测网各测点周围观测环境逐渐变差，树木逐年茂盛或出现高大新建筑，导致信号遮挡逐渐加强，对于观测环境无法维护的测点（例如出现高大新建筑导致遮挡严重）必要时可以考虑重新选址。

（2）琼北GPS形变流动观测网各测点2011—2018年观测数据多路径影响较大，尤其是加乐（JALE）和高山岭（GSLN）测点，说明各测点受多路径干扰较大，主要由植被反射、水体反射、建筑物反射和不同程度的电磁干扰所致，且测点建成运行几年后，周围植被越来越茂盛，导致多路径效应逐年增强。

（3）接收机抗周跳能力和稳定性及准扼流圈天线性能，在一定程度上影响了观测数据质量，建议采用扼流圈天线进行观测。

本研究结果印证了通过脚本实现GPS流动观测数据质量检核的正确性，检核结果可为琼北GPS流动观测数据后期处理和测点及周围观测环境维护及设备升级改造提供参考，也可为日后火山监测及研究工作提供一定依据。