TEQC在GPS控制網(wǎng)檢查中的應用

陳金林 付寧波

（江西省測繪成果質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心 江西南昌 3300209）

TEQC在GPS控制網(wǎng)檢查中的應用

陳金林 付寧波

（江西省測繪成果質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心 江西南昌 3300209）

簡述了TEQC檢查和分析RINEX格式觀測數(shù)據(jù)的基本原理，結合某D級GPS控制網(wǎng)工程實際，實地設站觀測C級GPS起算點并對觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢核，以檢查起算點觀測環(huán)境和站址選擇的合理性。

TEQC；控制網(wǎng)；起算點；質(zhì)量檢核

1 前言

按照GB/T18314《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》要求，GPS測量按照精度和用途分為A、B、C、D、E級共五個等級。用于中小城市、城鎮(zhèn)以及測圖、地籍、土地信息、房產(chǎn)、物探、勘探、建筑施工等控制測量的GPS測量，應滿足D、E級GPS測量的精度要求。B、C、D、E級網(wǎng)布設時，測區(qū)內(nèi)高于施測級別的GPS網(wǎng)點均應作為本級別GPS網(wǎng)的控制點，并在觀測時納入相應級別的GPS網(wǎng)中一并施測。對于D、E級GPS控制網(wǎng)，規(guī)范要求GPS接收機為雙頻或單頻。工程實踐中，在既滿足規(guī)范要求又降低成本的條件下，GPS控制網(wǎng)施測是大部分采用的是單頻GPS接收機。相比雙頻而言，單頻GPS接收機觀測的數(shù)據(jù)類型要少，反映整個觀測質(zhì)量和測站觀測環(huán)境的有效信息也不全，且多數(shù)GPS數(shù)據(jù)預處理軟件處理的對象是雙頻GPS觀測數(shù)據(jù)。布設GPS控制網(wǎng)時，聯(lián)測起算控制點的選擇至關重要，對選起算點的選點質(zhì)量、埋石質(zhì)量、觀測環(huán)境、觀測質(zhì)量和平面精度等要求比較高。對于GPS控制網(wǎng)檢查而言，通常采用高一級精度檢查原則，多采用雙頻GPS接收機進行實地設站觀測，野外主要是檢查起算控制點的選點質(zhì)量、埋石質(zhì)量、站址周圍的觀測環(huán)境和觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量是否滿足要求。對于雙頻GPS接收機觀測數(shù)據(jù)，通常是采用GPS數(shù)據(jù)預處理軟件TEQC來進行檢查和分析多路徑效應、觀測噪聲、數(shù)據(jù)有效率、衛(wèi)星狀況、電離層活動性等情況，以初步確定起算控制點站址的合理性和觀測質(zhì)量。

2 TEQC分析GPS觀測數(shù)據(jù)原理

TEQC(Translation、Editing、andQualityChecking)是由UNAVCOFacility為研究GPS監(jiān)測站數(shù)據(jù)管理服務研制的公開免費軟件，被廣泛應用于GPS數(shù)據(jù)預處理，有助于對觀測誤差的分析，特別是提高測量成果的精度。TEQC主要功能有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核。

TEQC數(shù)據(jù)檢核主要采用GPS觀測數(shù)據(jù)及其廣播星歷信息，利用偽距和載波相位觀測值的線性組合方法來計算數(shù)據(jù)質(zhì)量評定的各種指標。由于該軟件是基于DOS程序界面，與用戶的交互需通過為命令實現(xiàn)，只要在DOS界面下輸入相應的命令，就能生成各種質(zhì)量檢核文件。

在DOS界面下輸入：＞teqc+qcGPS．10OGPS．10N

該命令是以對觀測文件進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核，將生成以下九個文件：

GPS．09S：檢核報告匯總文件，列出了高度截止角、采樣率、觀測衛(wèi)星數(shù)、測站近似坐標、觀測歷元、觀測值統(tǒng)計、觀測值刪除統(tǒng)計以及比較重要的平均多路徑誤差MP1、MP2、o／slips值等信息，是TEQC軟件檢查結果的核心信息。

GPS．a(chǎn)zi：衛(wèi)星方位角，GPS．ele：衛(wèi)星高度角

GPS．ion：L1載波的電離層延遲觀測值，GPS．iod：電離層延遲變化率

GPS．mp1：L1載波上C／A碼或P碼偽距多路徑影響

GPS．mp2：L2載波上的P碼偽距多路徑影響

GPS．sn1：L1載波的信噪比，GPS．sn2：L2載波的信噪比

GPS觀測站點的觀測環(huán)境、觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量主要反映在：觀測的有效率、SN1、SN2、MP1、MP2、CSR這幾個量上。MP1、MP2分別表示L1、L2載波上的多路徑效應對偽距和相位影響的綜合指標。其公式推導如下：

載波相位和偽距觀測方程：

上述公式中：i=1、2；m、M分別為測相和測碼偽距多路徑誤差，λ表示波長，N表示整周模糊度，Ne表示局部電子密度。我們假設兩個頻率穿過大氣的路徑是相同的，因此我們得到：

我們定義電離層延遲的變化率：

P1，P2分別為雙頻偽距觀測值，L1，L2分別為相位觀測值。觀測值和周跳比以另外一種形式CSR來表示：

若無周跳發(fā)生，則B1，B2為常量，m1，m2遠小于M1，M2，因此，MP1和MP2主要為偽距的多路徑效應影響，可用來衡量多路徑效應的程度。測碼偽距和測相偽距都受到多路徑效應的影響，在一定反射條件下，對測碼偽距的影響可達米級，而對測相測碼偽距的影響也可達厘米級；載波相位值的多路徑誤差對點位坐標的影響，一般條件為±（1～5）cm，在較高反射環(huán)境下可達到±19cm。在解算模糊值時，如果采用碼/載波相位值綜合技術解算模糊值時，碼信號的多路徑誤差將變得特別嚴重。因此，在實際的GPS測量工作，無論采用合種測量方法都要考慮多路徑誤差的影響并采取避免或減弱多路徑效應誤差的措施。

對于TEQC檢查結果，有下列幾種情況：

(1)當TEQC軟件給的信噪比指標，SN1＜4．5，SN2＜5．5時應該考慮更換點位

(2)當TEQC軟件給的多路徑指標，MP1＞0．35，MP2＞0．45時應該考慮更換點位

(3)有效率＝實際觀測值個數(shù)/期望觀測值個數(shù)，一般要求大于85%比較好，否則該站需要變考慮更換站址，觀測數(shù)據(jù)作為選點的有效依據(jù)并進行保存。

(4)1/2的CRS值小于0．5。

3 TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量分析實例

測區(qū)位于某縣城區(qū)及城區(qū)西北方向，測區(qū)地勢為丘陵和山地，平均海拔約380米。范圍在東徑115° 19′～115°25′，北緯25°06′～25°11′之間。測區(qū)內(nèi)水網(wǎng)較豐富，濂江自東南向西北穿過測區(qū)；S223省道從南向北穿境而過，交通較為便利。測區(qū)縣城中心房屋密級，丘陵地以種植臍橙為主，山地上樹木茂盛，給測量工作帶來很多困難。本測區(qū)布設的首級控制網(wǎng)為D級GPS網(wǎng)，采用南方9600型GPS單頻接收機進行靜態(tài)同步觀測，解算時以江西省C級GPS點V525、V526和V518作為起算點。控制網(wǎng)檢查時，按相關規(guī)定抽取5個未知點并聯(lián)測V525。為了檢驗起算點的觀測環(huán)境和觀測質(zhì)量，我們采用中海達V8雙頻GPS接收機進行實地觀測。觀測前設置采樣間隔為20秒，衛(wèi)星高度截止角10度，觀測后及時下載原始數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為RINEX格式，運用TEQC軟件對RINEX格式觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，S文件中的一些主要指標如下：

從上面可以看出，本次觀測時間為2010年11月3日，時段長為3．161小時，采樣間隔為20秒，數(shù)據(jù)有效率為99%，MP1為0．22，MP2為0．26，CSR= 1000/4545=0．22。MP1反映的是偽距多路徑效應，MP2反映的是偽距多路徑效應和接收機噪聲的強度，其值越大表明接收機對多路徑效應越明顯。通過以上數(shù)據(jù)分析表明V525站對多路徑效應的反應不太明顯，且比較MP1和MP2(圖1和圖2)發(fā)現(xiàn)，MP2的值總體上大于MP1的值。

圖1 :MP1

圖1 :MP2

為了研究多路徑效應、信噪比、電離層延遲和電離層延遲微分與衛(wèi)星高度角變化之間的關系，我們選擇10號衛(wèi)星(PRN10)來進行實例分析。PRN10在整個觀測時段中一直處于觀測狀態(tài)，且衛(wèi)星經(jīng)歷了從升起至最高點，再下降的過程，具有典型代表性(如圖：3)。

圖3 :PRN10衛(wèi)星高度角

圖4 :PRN10衛(wèi)星MP1

圖5 :PRN10衛(wèi)星MP2

圖6 :PRN10衛(wèi)星SN1

圖7 :PRN10衛(wèi)星SN2

圖8 :PRN10衛(wèi)星IOD

圖9 :PRN10衛(wèi)星ION

由圖可知，10號衛(wèi)星高度角解在整個觀測時段內(nèi)的變化范圍約為：26～82度。由圖4和圖5可知：在衛(wèi)星鎖定的初始5分鐘左右，MP1和MP2變化比較??；當隨著衛(wèi)星逐漸上升，高度角不斷增大，MP1和MP2變化幅度逐漸增大，衛(wèi)星受多路徑效應影響較明顯；當衛(wèi)星高度角在60度以上時，與之前相比，MP1和MP2變化較為規(guī)律和平緩，說明角度越高，衛(wèi)星受多路徑影響較小。通過對整個觀測時段統(tǒng)計分析：MP1值在［-0.4m，0.4m］范圍之內(nèi)，平均值為-0.061，標準差為0.131；MP2值絕大部分在［-0.4m，0.4m］范圍之內(nèi)，只有很少一部分在［-0.7m，-0.4m］范圍之內(nèi)，最大值約為-0.68左右，平均值為-0.086，標準差為0.161。MP2值總體上大于MP1，說明L2通道受多路徑效應影響比L1通道明顯。

由圖6和圖7可知：在衛(wèi)星鎖定的初始階段，SN1在6～7之間變化，SN2在5～6之間變化；隨著衛(wèi)星高度角逐漸增大，SN1和SN2變化逐漸趨于穩(wěn)定，當衛(wèi)星高度角大于50度時 （約07:15時），SN1和SN2保持為一個常數(shù)值，分別為8和7，L1和L2觀測質(zhì)量受衛(wèi)星高度角變化影響很小。通過信噪比統(tǒng)計分析：SN1平均值為7.699，標準差為0.478；SN2平均值為6.773，標準差為0.427。統(tǒng)計表明，SN1大于SN2，L1通道比L2通道的性能穩(wěn)定，對低高度角衛(wèi)星信號的跟蹤能力較強。

由圖8和圖9可知：在低衛(wèi)星高度角，特別是衛(wèi)星被鎖定的初始階段，電離層延遲變化率值較大，最大超過300cm/min。隨著衛(wèi)星高度角增大IOD的值逐漸減小，當衛(wèi)星高度角在55度(約07:30時)左右時，IOD的值約為100cm/min；當衛(wèi)星高度角達最大時 (約82度，08:35時左右)，IOD的值在零左右；隨后衛(wèi)星下降，衛(wèi)星高度角開始逐漸減小，IOD的值也隨著減小，但總體上變化趨于穩(wěn)定，其值在零附近有規(guī)律變化，直至觀測時段結束。TEQC生成的S文件中，IOD的閥值為 400cm/min，如果IOD值大于400cm/min，一般認為存在相位周跳。

對于ION而言，在低高度度時，ION值較小，此時L1電離層延遲觀測值增幅較大 (曲線斜率大)，隨著衛(wèi)星不斷上升，ION的值不斷增大，但ION增幅逐漸減??；當衛(wèi)星上升到最高時，ION的值仍不斷增大，但ION增幅趨于穩(wěn)定，直至觀測時段結束。整個觀測時段中，IOD的平均值為0.079，標準差0.069，ION平均值為10.957，標準差4.169。

4 結論

本文對某D級GPS控制網(wǎng)采用的江西省C級GPS起算點V525進行實地設站觀測，利用GPS數(shù)據(jù)預處理軟件TEQC及自編Matlab程序?qū)INEX觀測數(shù)據(jù)進行了檢查和分析，經(jīng)研究分析表明：

4.1 V525測站的MP1和MP2值均小于工程實踐經(jīng)驗值，測站對多路徑效應不明顯，或者說受多路徑效應影響較小；數(shù)據(jù)有效率為99%(遠大于85%)，GPS觀測數(shù)據(jù)量有充分保證；CSR的值為0.22，在允許范圍之內(nèi)，說明觀測值中的周跳情況不明顯；這些重要指標表明，V525測站受觀測環(huán)境影響較小，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量很好且觀測數(shù)據(jù)可靠，因此，V525滿足D級GPS控制網(wǎng)起算點的各項要求。

4.2 本文為細致探討衛(wèi)星高度角與MP1、MP2、SN1、SN2、IOD和ION之間的聯(lián)系，選擇了具有代表性的PRN10衛(wèi)星做為研究對象，分析表明：剛跟蹤和鎖定衛(wèi)星的幾個歷元衛(wèi)星信噪比較小，衛(wèi)星信號質(zhì)量不佳，所以，在數(shù)據(jù)處理中可考慮剔除；隨著衛(wèi)星高度角的降低，GPS觀測數(shù)據(jù)信噪比也會降低，多路徑效應、電離層影響都比較明顯，從而影響定位成果。本觀測時段中PRN10衛(wèi)星的MP1、MP2、SN1、SN2、IOD和ION均在有效值范圍之內(nèi)，觀測質(zhì)量較好。

4.3 利用GPS數(shù)據(jù)預處理軟件TEQC對測站RINEX格式觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢核，能快速、準確和有效判斷各種誤差的影響，評定觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而確定GPS觀測站周圍的觀測環(huán)境和觀測質(zhì)量如何，對于GPS控制網(wǎng)選址和選用起算點具有重要的參考價值。

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