TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化分析軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

盧立果,吳彬,趙寶貴,胡偉建,徐兆祥,陳榮清

(1. 東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院,江西 南昌 330013; 2. 西安測(cè)繪研究所, 陜西 西安 710054; 3. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054; 4. 長(zhǎng)沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引 言

觀測(cè)值數(shù)據(jù)質(zhì)量是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)定位精度和可靠性的重要保證,因此如何從觀測(cè)數(shù)據(jù)中去除一些質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)成為提高衛(wèi)星定位精度的首要考慮問(wèn)題[1-2]．出于數(shù)據(jù)優(yōu)化的目的,需要運(yùn)用GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理．在全球眾多款數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件中,主流用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和質(zhì)量檢查的是一款由UNAVCO Facility 開(kāi)發(fā)的TEQC軟件．其中,數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查功能是TEQC軟件的核心部分,可用于檢查接收機(jī)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量[3-6]．

利用TEQC軟件對(duì)衛(wèi)星靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整模式的質(zhì)量檢查,在完成數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核操作后,存在TEQC軟件生成的繪圖結(jié)果文件僅能以文本文件形式輸出的問(wèn)題[7]．以往通常借助QCVIEW[8]、CF2PS[9]、QC2SKY[10]這三款國(guó)際上公開(kāi)的軟件進(jìn)行可視化,但隨著TEQC軟件版本的更新,原有公開(kāi)軟件已無(wú)法處理新生成的compact 3格式的繪圖結(jié)果文件．鑒于此,本文基于MATLAB GUI對(duì)TEQC繪圖工具進(jìn)行再設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)了一套適用于compact 3結(jié)果文件的可視化界面軟件,實(shí)現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化分析．

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量預(yù)處理

1.1 格式轉(zhuǎn)換

TEQC預(yù)處理軟件暫時(shí)僅能處理RINEX 2.11以下格式GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),而現(xiàn)今國(guó)際上已推廣使用新的標(biāo)準(zhǔn)文件格式——RINEX 3.X,并且有些原始數(shù)據(jù)(如BDS數(shù)據(jù))并不能被接收機(jī)的隨機(jī)軟件直接轉(zhuǎn)換成RINEX 2格式,所以針對(duì)RENEX 3以上格式數(shù)據(jù),本文則采用GFZRNX軟件對(duì)數(shù)據(jù)文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換．

GFZRNX可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)RINEX 2與3版本格式之間的轉(zhuǎn)換．使用GFZRNX程序格式轉(zhuǎn)換功能時(shí), 只需在操作命令中使用-vo 參數(shù)． 其輸入值被限制為2或3, 代表輸出數(shù)據(jù)的RINEX格式版本[11]．

以HKLM站點(diǎn)于2019年2月1日的觀測(cè)數(shù)據(jù)為例,其原始數(shù)據(jù)為RINEX 3.02．下面的命令將其格式轉(zhuǎn)化為RINEX 2:

gfzrnx -finp hklm0320.19o -vo 2> hklm0321. 19o

轉(zhuǎn)化廣播星歷文件:

gfzrnx -finp hklm0320.19n -vo 2> hklm0321. 19n

轉(zhuǎn)換氣象數(shù)據(jù)文件:

gfzrnx -finp hklm0320.19m -vo 2> hklm0321. 19m

1.2 質(zhì)量檢核

使用TEQC程序的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核功能需在執(zhí)行命令行中添加一個(gè)+qc參數(shù)．TEQC的質(zhì)量分析模式分為兩種——完整模式(full)和輕量模式(lite),在使用完整模式的質(zhì)量檢查時(shí),需引入同時(shí)段(或相近時(shí)段)的衛(wèi)星星歷文件．若需要其他質(zhì)量輸出文件,可以在執(zhí)行質(zhì)量檢查時(shí)再添加一個(gè)+plot參數(shù)加在+qc后面[12]．例如,下面的命令將檢查HKLM測(cè)站在2019年2月1日的觀測(cè)文件,其星歷文件使用hklm0320.19n和hklm0320.19g:

teqc+qc+plot -nav hklm0320.19n hklm0320.19g hklm0321. 19o

若觀測(cè)文件所在目錄中存在相同測(cè)站的星歷文件時(shí),-nav參數(shù)可以省略:

teqc+qc+plot hklm0320.19o

此時(shí),TEQC程序?qū)z查當(dāng)前目錄或觀測(cè)文件所在目錄下是否存在與測(cè)站同名的導(dǎo)航文件:hklm0320.19n或hklm0320.19g(當(dāng)包含GLONASS衛(wèi)星的觀測(cè)值時(shí))．若可以找到該文件,則采用full模式進(jìn)行質(zhì)量檢查,否則采用lite模式．

需要說(shuō)明的是,新版本的TEQC增加了對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查功能,用戶若要處理BDS數(shù)據(jù),需要在TEQC程序下添加+relax 或+extend 參數(shù)．

在full模式下質(zhì)量檢核的結(jié)果為至少8個(gè)繪圖結(jié)果文件和1個(gè)質(zhì)量匯總文件．對(duì)于質(zhì)量匯總文件****.S,多路徑觀測(cè)誤差、電離層延遲誤差、電離層延遲變化率,以及接收機(jī)信號(hào)的抖動(dòng)、L1和L2載波的周跳、衛(wèi)星的高度角和方位角、信噪比等參數(shù)均輸出在S文件中[13-14]．通常,結(jié)合這些參數(shù)能夠充分快速評(píng)定所觀測(cè)點(diǎn)位置的定位數(shù)據(jù)質(zhì)量．部分結(jié)果文件類型說(shuō)明如表1所示．

2 繪圖文件格式分析

伴隨TEQC軟件質(zhì)量檢核模塊不斷更新以及衛(wèi)星信號(hào)頻率不斷增加,質(zhì)量檢核后生成的繪圖結(jié)果文件類型發(fā)生了變化,其數(shù)據(jù)格式也與之前有所不同,從原來(lái)的compact格式轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的compact 3 格式．表2示出了不同數(shù)據(jù)壓縮格式繪圖文件頭的差異.

表2 繪圖文件頭的差異性

通過(guò)表2可以發(fā)現(xiàn)，compact 3格式的第一行沒(méi)有改變,但第三行的內(nèi)容較compact 2有明顯的區(qū)別[15]．compact 3格式主要是把起始?xì)v元時(shí)間前置,并將時(shí)間間隔與衛(wèi)星號(hào)置放于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的模塊中,可容易識(shí)別出任一衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)位置．

3 TEQCplot View的軟件設(shè)計(jì)

由于TEQC分析得到的結(jié)果文件無(wú)法可視化,難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,因此需要相應(yīng)的可視化軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)果文件的可視化[15-16]．QCVIEW等軟件雖然可以實(shí)現(xiàn)繪圖功能,但只能對(duì)compact格式文件進(jìn)行繪圖,無(wú)法滿足對(duì)新版TEQC軟件生成的compact 3格式結(jié)果文件繪圖的需求．因此,本文基于MATLAB GUI開(kāi)發(fā)了一套適用于compact 3結(jié)果文件的可視化界面軟件(TEQCplot View)．圖1為T(mén)EQCplot View軟件功能結(jié)構(gòu)圖．

圖1 TEQCplot View軟件功能結(jié)構(gòu)圖

繪圖模塊分為兩個(gè)部分:第一部分是單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化;第二部分是多系統(tǒng)色帶圖繪制．

第一部分是基于單衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的,所以在進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核操作之前需調(diào)用TEQC進(jìn)行保留單星座數(shù)據(jù)的預(yù)處理．單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化模塊有統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星顆數(shù)的功能,對(duì)衛(wèi)星號(hào)從小到大排序,幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)對(duì)想要分析衛(wèi)星號(hào)的尋找,簡(jiǎn)化操作以便捷實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層延遲、電離層延遲變化率、多路徑效應(yīng)和信噪比等參數(shù)結(jié)果文件的繪圖分析;并增加了參數(shù)與高度角的相關(guān)分析圖,可以直觀地反映參數(shù)數(shù)值隨衛(wèi)星高度角的變化,以滿足用戶對(duì)結(jié)果文件更多的分析需求．圖2為單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化界面圖．

圖2 單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化界面

第二部分中,用戶可以選擇單系統(tǒng)或多系統(tǒng)繪圖結(jié)果文件,該模塊將對(duì)文件數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取并繪圖,包括高度角、方位角、電離層延遲變化率、多路徑、信噪比等時(shí)間序列色帶圖．通過(guò)對(duì)參數(shù)值大小按色帶顏色的漸變進(jìn)行劃分,用戶可以清楚地看出參數(shù)值的變化情況,并評(píng)判各衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞,進(jìn)而判斷是否剔除該星的數(shù)據(jù),從而保證基線解算和網(wǎng)平差時(shí)能夠使用質(zhì)量良好的觀測(cè)數(shù)據(jù)．

4 TEQCplot View的軟件性能測(cè)試

在TEQCplot View軟件性能分析中,本文利用TEQC質(zhì)量檢核所得結(jié)果文件對(duì)繪圖模塊兩個(gè)部分分別進(jìn)行可視化功能測(cè)試．

4.1 單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化功能測(cè)試

第一部分中包含一個(gè)子模塊——單星座多衛(wèi)星綜合圖,多衛(wèi)星綜合可視化模塊主要是針對(duì)單系統(tǒng)的整體分析,反映單系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)位置的一個(gè)總體數(shù)據(jù)質(zhì)量情況．以HKLM測(cè)站2019年2月10日GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)為例,圖3為單星座多衛(wèi)星綜合質(zhì)量分析圖．

圖3 單星座多衛(wèi)星綜合質(zhì)量分析圖

在繪制的多衛(wèi)星綜合圖線條過(guò)于密集的情況下,本軟件對(duì)各衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的細(xì)節(jié)分析無(wú)法進(jìn)行,所以第一部分主要對(duì)單衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析．選取2019年2月10日G27號(hào)衛(wèi)星m21、sn5結(jié)果如圖4、5所示.

從圖4和圖5上可查驗(yàn)在各個(gè)時(shí)間多路徑效應(yīng)值和信噪比值的大小,同時(shí)可得到“多路徑與衛(wèi)星高度角有關(guān),衛(wèi)星高度角越高,多路徑效應(yīng)影響越小”以及“信噪比與高度角成正相關(guān)”的結(jié)論[17-18]．

下面分別導(dǎo)出G27號(hào)衛(wèi)星m21、sn5時(shí)間序列細(xì)部圖．圖6是G27號(hào)衛(wèi)星L2頻段多路徑誤差時(shí)間序列圖,圖7是G27號(hào)衛(wèi)星L5頻段信噪比時(shí)間序列圖．其中X軸表示所對(duì)應(yīng)衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間序列,Y軸表示隨時(shí)間變化相應(yīng)指標(biāo)參數(shù)值大小．

圖4 G27衛(wèi)星L2頻段多路徑效應(yīng)分析圖

圖5 G27衛(wèi)星L5頻段信噪比分析圖

圖6 G27衛(wèi)星m21時(shí)間序列圖

圖7 G27衛(wèi)星sn5時(shí)間序列圖

通過(guò)對(duì)圖6的分析,可以發(fā)現(xiàn)在5：45—7：00和10：45—12：00這兩個(gè)時(shí)段的多路徑效應(yīng)不穩(wěn)定,多路徑誤差值多數(shù)大于0.65 m,尤其在6：00左右L2頻段多路徑誤差值達(dá)到最大,接近3 m．因此,可以利用RINEX文件切割功能,將G27號(hào)衛(wèi)星多路徑效應(yīng)嚴(yán)重的時(shí)段刪除,以改善觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量．通過(guò)對(duì)圖7的分析,可以看出從6：00—11：30時(shí)段L5頻段信噪比值多數(shù)大于40 dB,且最高可達(dá)56 dB,說(shuō)明目標(biāo)位置觀測(cè)條件良好,遮擋較少,接收機(jī)接收到的G27號(hào)衛(wèi)星信號(hào)較強(qiáng)．

4.2 多系統(tǒng)色帶圖繪制功能測(cè)試

選取HKLM測(cè)站2019年2月7日BDS觀測(cè)數(shù)據(jù),圖8和圖9為衛(wèi)星高度角、方位角變化圖．通過(guò)圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn),TEQCplot View繪制的色帶圖可以直觀地看出任意時(shí)刻的所有可見(jiàn)衛(wèi)星,反映數(shù)據(jù)完整率信息;同時(shí)還可知道任一衛(wèi)星隨時(shí)間變化的方位角和高度角情況．由圖8分析可知,C12號(hào)、C26號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間較短,其數(shù)據(jù)可用性較差,將會(huì)使得數(shù)據(jù)完整率降低;此外,雖然C20號(hào)和C28號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),但C20號(hào)衛(wèi)星在07:30—11:00的觀測(cè)時(shí)段以及C28號(hào)衛(wèi)星在00:00—03:00的觀測(cè)時(shí)段所處的高度角均低于10°,說(shuō)明上述兩顆衛(wèi)星的觀測(cè)條件不佳．因此,在以上分析的基礎(chǔ)上,對(duì)BDS觀測(cè)文件進(jìn)行TEQC編輯處理．首先將HKLM測(cè)站上的C12號(hào)、C20號(hào)、C26號(hào)和C28號(hào)衛(wèi)星的觀測(cè)值和導(dǎo)航信息刪除,輸入指令:>teqc+extend-C12,20,26,28 hklm0382.19o> hklm0383.19o及>teqc-C12,20,26,28 hklm0382.19c> hklm0383.19c;然后對(duì)處理所生成的觀測(cè)文件hklm0383.19o重新進(jìn)行full模式的質(zhì)量檢查,得到處理后衛(wèi)星高度角變化圖如圖10所示．從圖中可以看到,通過(guò)對(duì)TEQCplot View軟件生成的可視化結(jié)果進(jìn)行判讀,起到了輔助TEQC軟件數(shù)據(jù)編輯功能的作用,從而改善了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的質(zhì)量．

圖8 衛(wèi)星高度角變化圖

圖9 衛(wèi)星方位角變化圖

圖10 處理后衛(wèi)星高度角變化圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的實(shí)際需求出發(fā),設(shè)計(jì)了一款針對(duì)TEQC結(jié)果文件更為方便的可視化軟件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的可視化展示．并通過(guò)對(duì)軟件的性能測(cè)試以及繪圖結(jié)果的分析,得到以下三點(diǎn)結(jié)論:

1) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明,TEQCplot View能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)TEQC 2013.3.15及以上版本生成的compact 3結(jié)果文件的繪圖功能,且操作簡(jiǎn)單、界面簡(jiǎn)潔直觀,可實(shí)現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化分析;

2) TEQCplot View可進(jìn)行單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化和多系統(tǒng)色帶圖繪制操作,結(jié)果文件圖形顯示功能豐富,能夠滿足用戶對(duì)不同結(jié)果文件的分析需求;

3) 對(duì)TEQCplot View軟件生成的可視化結(jié)果進(jìn)行判讀可以有效地輔助TEQC軟件的數(shù)據(jù)編輯功能,例如RINEX文件的切割與合并功能、衛(wèi)星系統(tǒng)的選擇以及特定衛(wèi)星的禁用功能等,使得TEQC能在數(shù)據(jù)編輯時(shí)充分發(fā)揮其改善數(shù)據(jù)質(zhì)量的作用．