TEQC在GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析中的應(yīng)用及改進(jìn)

賈鵬志，楊 力，朱恩慧

(信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450001)

TEQC在GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析中的應(yīng)用及改進(jìn)

賈鵬志，楊 力，朱恩慧

(信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450001)

針對(duì)GNSS數(shù)據(jù)處理軟件TEQC運(yùn)行于DOS環(huán)境，存在操作不便，不能實(shí)現(xiàn)很好的可視化，人機(jī)交互性差等不足，探討應(yīng)用及改進(jìn)該軟件的方法。首先利用TEQC軟件得到關(guān)鍵性指標(biāo)多路徑誤差、信噪比、數(shù)據(jù)利用率等信息，然后分別運(yùn)用QCVIEW32、MATLAB對(duì)得到的結(jié)果文件進(jìn)行繪圖，并提出利用RTKLIB軟件對(duì)原始觀測(cè)文件進(jìn)行質(zhì)量分析和繪圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用TEQC結(jié)合MATLAB或者結(jié)合RTKLIB可以達(dá)到操作簡(jiǎn)單方便的要求，同時(shí)還可以更直觀、更全面地對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析。

TEQC；MATLAB；RTKLIB；質(zhì)量分析；可視化

0 引言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，用戶(hù)對(duì)GNSS服務(wù)質(zhì)量的要求也逐漸提高。觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量將直接影響GNSS的定位精度和可靠性[1]。通過(guò)對(duì)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)、信噪比、精度因子(dilution of precision，DOP)、數(shù)據(jù)利用率等方面的分析，可以比較全面地反映衛(wèi)星的可用性、測(cè)站周?chē)h(huán)境以及接收機(jī)的性能等各個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。也只有對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析才能確保GNSS解算精度以及觀測(cè)環(huán)境等滿足要求[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析大多是建立在TEQC(translation，editing and quality checking)軟件基礎(chǔ)上的[3]。但是TEQC存在以下問(wèn)題：1)必須在DOS界面下運(yùn)行，操作不方便、界面不友好，而且需要DOS4GW.EXE、QCVIEW32.EXE等程序才可實(shí)現(xiàn)繪圖功能，可視化功能不強(qiáng)，操作繁瑣；2)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)以及誤差項(xiàng)分析不全面，比如不能分析DOP值以及多路徑與高度角的關(guān)系等；3)僅能夠?qū)inex2.xx格式的美國(guó)全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，不能分析Rinex3.xx格式的數(shù)據(jù)，更重要的是不能分析評(píng)估中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

本文利用國(guó)際GNSS服務(wù)(The International GNSS Service，IGS)網(wǎng)站提供的北京房山站2014年第95天的bjfs0950.14o文件和bjfs1950.14n文件通過(guò)事后分析驗(yàn)證TEQC的質(zhì)量檢核功能并改進(jìn)其應(yīng)用方式。

1 TEQC軟件

目前應(yīng)用廣泛的TEQC軟件是由美國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地球形變觀測(cè)研究大學(xué)聯(lián)合體(The University Navstar Consortium Facility，UNAVCO Facility)研發(fā)的一款公開(kāi)免費(fèi)軟件。TEQC的主要功能有格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯和質(zhì)量檢核。格式轉(zhuǎn)換能夠?qū)⒉煌瑥S家的接收機(jī)觀測(cè)文件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的Rinex文件；數(shù)據(jù)編輯主要是對(duì)觀測(cè)文件中的內(nèi)容進(jìn)行操作，不僅能夠?qū)inex文件頭塊進(jìn)行編輯而且能夠?qū)?shù)據(jù)文件部分進(jìn)行操作[4]；質(zhì)量檢核是TEQC軟件的核心，不僅可計(jì)算出數(shù)據(jù)利用率、電離層延遲、多路徑、周跳比、信噪比等指標(biāo)值并生成結(jié)果文件，而且能夠利用QCVIEW等軟件進(jìn)行繪圖從而實(shí)現(xiàn)可視化。本文主要對(duì)TEQC質(zhì)量檢核功能進(jìn)行研究。

1.1 TEQC質(zhì)量檢核

TEQC的質(zhì)量檢測(cè)分為2種模式，第一種是只對(duì)o文件進(jìn)行檢測(cè)的qc2lite模式，另一種是利用n文件來(lái)配合o文件共同檢測(cè)的qc2full模式。本文采取第二種檢核方式。將bjfs0950.14o文件和bjfs0950.14n文件放在同一個(gè)文件夾下，然后在DOS界面運(yùn)行如下命令：>teqc +qc bjfs0950.14o，即可得到9個(gè)結(jié)果文件。如表1所示。

其中bjfs0950.14S是質(zhì)量檢查統(tǒng)計(jì)的摘要文件，是結(jié)果文件的核心部分，主要用于對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)定。一般情況下觀測(cè)人員主要是對(duì)該文件進(jìn)行檢查，從而確定觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)該文件進(jìn)行分析，可以得到如表2所示的重要統(tǒng)計(jì)值。其他幾個(gè)文件主要用于做圖可視化，從而可直觀地對(duì)每一顆衛(wèi)星的單項(xiàng)質(zhì)量進(jìn)行檢查。

表1 TEQC質(zhì)量檢查生成的視圖文件后綴及其含義

表2 S文件中觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值

數(shù)據(jù)利用率，在一定程度上能夠反映數(shù)據(jù)的可用性與完好性，是衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)；周跳比在一定程度上能夠反映載波相位觀測(cè)值的跳變情況，如果周跳比越大，說(shuō)明該組GNSS數(shù)據(jù)在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)的周跳越少，數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。一般情況下，周跳比大于1 000，說(shuō)明該組數(shù)據(jù)相對(duì)較好[5]。

1.2 結(jié)果文件可視化

由于TEQC沒(méi)有可視化界面，繪圖需要借助DOS4GW.EXE、QCVIEW32.EXE等程序，而且QCVIEW32.EXE不是一個(gè)在WINDOWS下執(zhí)行的程序，qcview32命令只能在DOS命令行使用[6]，畫(huà)圖命令為：qcview32 bjfs0950.**。該軟件雖然可實(shí)現(xiàn)繪圖功能，但可視化結(jié)果不是很好[7]；因此本文利用MATLAB編寫(xiě)teqcplot.m程序?qū)Y(jié)果文件進(jìn)行繪圖。結(jié)果對(duì)比如下：

1)衛(wèi)星高度角和方位角。對(duì)bjfs0950.azi和bjfs0950.ele這2個(gè)文件分別利用QCVIEW32.EXE和MATLAB進(jìn)行繪圖。結(jié)果如圖1和圖2所示。通過(guò)分析衛(wèi)星高度角及方位角的變化可以幫助用戶(hù)分析單個(gè)衛(wèi)星在觀測(cè)時(shí)段的位置情況，也可以清楚判斷哪顆衛(wèi)星處于較低仰角，進(jìn)而判斷是否剔除該星的數(shù)據(jù)，從而保證解算時(shí)使用較好的觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)圖1(a)、圖1(b)和圖2(a)、圖2(b)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：利用MATLAB繪制的圖可以很清楚地判斷出任意時(shí)刻哪顆衛(wèi)星是可見(jiàn)的，還可知道任意衛(wèi)星的方位角和高度角變化情況；界面更直觀、友好，操作更方便。

2)多路徑誤差分析。多路徑效應(yīng)主要受到測(cè)站周邊環(huán)境的影響[8]，對(duì)多路徑誤差進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確判斷測(cè)站周邊的情況是否滿足要求。多路徑誤差分為偽距多路徑和載波相位多路徑誤差，偽距多路徑誤差最大可達(dá)0.5個(gè)碼元寬度，而載波相位觀測(cè)值的多路徑誤差一般不超過(guò)1/4波長(zhǎng)；因此主要考慮偽距多路徑誤差。偽距多路徑誤差可表示為：

(1)

(2)

(3)

(4)

對(duì)bjfs0950.mp1和bjfs0950.mp2這2個(gè)文件分別進(jìn)行繪圖。從圖3和圖4可以看出L1載波和L2載波的多路徑變化情況。通過(guò)對(duì)比可知，由MATLAB繪制的圖可以很清楚地判斷出任意衛(wèi)星在哪個(gè)時(shí)間段的多路徑誤差比較大。例如從圖3(b)可以得出第22顆衛(wèi)星在第100個(gè)歷元左右處多路徑誤差最大，用戶(hù)就可以考慮在定位解算時(shí)是否刪除該星的數(shù)據(jù)。

3)電離層延遲誤差。電離層延遲對(duì)定位精度有很大影響，對(duì)電離層延遲進(jìn)行研究分析很有必要性。2個(gè)不同頻率f1、f2的電離層延遲之間有

(5)

式中：f1、f2代表頻率；I1、I2代表電離層延遲。

假設(shè)這2個(gè)頻率的載波在電離層中傳播路徑相同，同時(shí)忽略雙頻載波觀測(cè)量相減后剩余的載波模糊度參數(shù)影響之后，L1、L2載波上的電離層延遲可表示為：

(6)

(7)

電離層延遲變化率反映了電離層延遲的變化情況。TEQC軟件中計(jì)算電離層延遲變化率的公式為：

(L1-L2)j-1]/(tj-tj-1)；

(8)

(L2-L1)j-1]/(tj-tj-1)。

(9)

4)信噪比。信噪比是載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，它主要受到天線增益參數(shù)、接收機(jī)中相關(guān)器的狀態(tài)以及多路徑效應(yīng)3個(gè)方面的影響，是反應(yīng)載波相位觀測(cè)質(zhì)量的指標(biāo)之一[9]。根據(jù)IGS的數(shù)據(jù)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定L1的信噪比大于4 dB Hz，L2的信噪比大于6 dB Hz。從圖7和圖8可以分析得知信噪比大部分都在5～10 dB Hz之間，說(shuō)明各個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度比較高，數(shù)據(jù)質(zhì)量還是比較好的。

2 RTKLIB軟件

RTKLIB是日本東京海洋大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)用于GNSS精確定位的開(kāi)源程序包[10]。本文利用RTKLIB進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析而且通過(guò)繪圖功能對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的衛(wèi)星可見(jiàn)性、衛(wèi)星天空視圖、DOP值、多路徑及衛(wèi)星高度角等指標(biāo)進(jìn)行圖形顯示，為質(zhì)量分析提供可視化條件[11]。結(jié)合TEQC軟件綜合給出數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)，方便用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行更全面的分析。本文利用RTKLIB對(duì)IGS網(wǎng)站提供的北京房山站2014年第95天的bjfs0950.14o文件進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

1)衛(wèi)星可見(jiàn)性及衛(wèi)星天空視圖。通過(guò)圖9和圖10可清楚地看出任意時(shí)刻的可見(jiàn)衛(wèi)星以及可見(jiàn)衛(wèi)星在天空中的視圖。分析可知在任意時(shí)刻該測(cè)站都滿足有4顆衛(wèi)星可見(jiàn)的條件，最多時(shí)可達(dá)到13顆衛(wèi)星可見(jiàn)，說(shuō)明該站當(dāng)天的數(shù)據(jù)質(zhì)量比較好。上述中TEQC結(jié)果文件衛(wèi)星高度角的變化圖也可在一定程度上反映出衛(wèi)星的可見(jiàn)性。

2)DOP值分析。在GNSS導(dǎo)航和定位中，使用幾何精度因子DOP來(lái)衡量觀測(cè)衛(wèi)星的空間幾何分布對(duì)定位精度的影響。DOP分為：三維位置的幾何精度因子PDOP (position dilution of precision)、垂直(高程)幾何精度因子VDOP(vertical dilution of precision)、二維水平位置幾何精度因子HDOP(horizontal dilution of precision)和總幾何精度因子GDOP(geometric dilution of precision)。利用RTKLIB可以分析出每一時(shí)刻各個(gè)精度因子的值，精度因子值越小，定位精度越高。從圖11可以看出該站當(dāng)天的DOP值變化，總結(jié)可知該站當(dāng)天數(shù)據(jù)質(zhì)量比較好。

3)多路徑與高度角分析。利用RTKLIB不僅可以分析出任意時(shí)刻的多路徑誤差和高度角變化，還可以給出多路徑誤差和高度角的關(guān)系。從圖12可以看出：該站當(dāng)天的多路徑影響比較小，說(shuō)明數(shù)據(jù)質(zhì)量比較好。從圖13可以分析出隨著高度角的增加，多路徑誤差逐漸變小，這也是在GNSS導(dǎo)航定位中一般優(yōu)先選取高仰角的原因。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用TEQC軟件從多方面對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了具體分析，同時(shí)利用MATLAB軟件對(duì)結(jié)果文件進(jìn)行繪圖，操作簡(jiǎn)單方便，可以很直觀地對(duì)所有衛(wèi)星進(jìn)行質(zhì)量分析，并判斷出任意時(shí)刻任意衛(wèi)星的狀況信息。另外通過(guò)結(jié)合RTKLIB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)其具有很好的繪圖功能，并且可以分析DOP值等數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)。2個(gè)軟件不僅可以互相檢驗(yàn)，還可以綜合起來(lái)更全面地對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析。

隨著北斗系統(tǒng)的發(fā)展，針對(duì)現(xiàn)有的不同數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件功能不全和質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)不完善等問(wèn)題，后續(xù)工作可以從兩方面進(jìn)行研究[12]：一方面需要對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析中各種指標(biāo)的計(jì)算方法進(jìn)行研究，比如加入對(duì)流層影響、周跳探測(cè)以及誤差項(xiàng)分析等；另一方面需要對(duì)現(xiàn)有軟件和指標(biāo)進(jìn)行匯總，從而建立一套數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估體系，能夠?qū)inex3.xx格式的數(shù)據(jù)以及四大導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都進(jìn)行全面質(zhì)量分析。開(kāi)發(fā)一款界面友好、功能齊全、操作簡(jiǎn)單以及開(kāi)源可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件是未來(lái)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的發(fā)展趨勢(shì)。

[1] 余文坤，戴吾蛟，楊哲.基于TEQC的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及預(yù)處理軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，30(5)：81-85.

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Application and improvement of TEQC in GNSS data quality analysis

JIAPengzhi，YANGLi，ZHUEnhui

(School of Navigation and Aerospace Engineering，Information Engineering University School of Navigation and Aerospace Engineering，Zhengzhou 450001，China)

For the GNSS data processing software TEQC running in the DOS environment, there are some problems such as inconvenient operation, can not achieve a good visualization, poor human-computer interaction and so on.The paper explored the application and improved the method of the software.Firstly, the TEQC software is used to obtain the information of multi-path error, signal-to-noise ratio, data utilization and so on.Then, the result file is plotted by QCVIEW32 and MATLAB respectively, and the quality of the original observation file is analyzed and plotted by RTKLIB software.The experimental results show that the combination of TEQC and MATLAB or RTKLIB can meet the requirements of simple and convenient operation.Meanwhile, the related indexes can be analyzed more intuitively and comprehensively.

TEQC；MATLAB；RTKLIB；quality analysis；visualization

2016-11-21

賈鵬志(1992—)，男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星定位性能評(píng)估。

賈鵬志，楊力，朱恩慧.TEQC在GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析中的應(yīng)用及改進(jìn)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2017，5(3)：77-83.(JIA Pengzhi，YANG Li，ZHU Enhui.Application and improvement of TEQC in GNSS data quality analysis[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(3)：77-83.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170316.

P228

A

2095-4999(2017)03-0077-07