基于Python 設(shè)計的TEQC 數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化分析軟件

吳家杰，王挺，黃爾雙

(江西省煤田地質(zhì)局測繪大隊(duì)，南昌 330001)

0 引 言

伴隨全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，用戶對GNSS 定位服務(wù)質(zhì)量提出了更高的需求.但GNSS 定位服務(wù)的準(zhǔn)確性、可靠性與可用性會受到GNSS 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞的影響[1-2].通常在GNSS 觀測數(shù)據(jù)使用前，需對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估和預(yù)處理，以消除或減弱各種誤差因素的影響，進(jìn)而提高GNSS 定位精度[3].目前工程應(yīng)用上公認(rèn)最為常用的GNSS 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，是由美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼變形觀測研究大學(xué)聯(lián)合體(UNAVCO Facility)開發(fā)的TEQC 軟件[4-6].

TEQC 軟件以質(zhì)量檢核功能為核心，包含數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、編輯等功能，可對GNSS 觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度全方位的質(zhì)量評估與預(yù)處理.但TEQC 軟件的可視化功能較為薄弱，不利于對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的直觀評估，需借助QCVIEW、CF2PS 和QC2SKY 等第三方繪圖軟件查看分析.上述繪圖工具已不再支持TEQC 2013-03-15 之后版本生成的compact3 結(jié)果文件[7].為實(shí)現(xiàn)對更新的TEQC 軟件處理結(jié)果可視化分析，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究.文獻(xiàn)[7]基于MATLAB GUI開發(fā)了一套適用于compact3 結(jié)果文件的可視化界面軟件(TEQC Plot-View).文獻(xiàn)[8]基于MATLAB 二次開發(fā)編制了teqcplot 部分程序模塊，實(shí)現(xiàn)了對TEQC的圖形顯示與可視化查詢.文獻(xiàn)[3]基于MATLAB 對TEQC 繪圖工具進(jìn)行了二次開發(fā)，豐富了其圖形顯示功能，實(shí)現(xiàn)了可視化預(yù)處理分析.文獻(xiàn)[9]基于C#語言開發(fā)了TeqcChart(V1.0)軟件.文獻(xiàn)[10]利用C#開發(fā)基于TEQC 的GPS 數(shù)據(jù)預(yù)處理工具箱.上述TEQC質(zhì)量可視化腳本的改進(jìn)，依托于MATLAB 和C#，但MATLAB 運(yùn)行效率低，C#開發(fā)效率低且不利于后期維護(hù)和更新.目前，流行的Python 語言具有免費(fèi)開源、開發(fā)效率高、代碼簡潔等特點(diǎn)，在一定程度上彌補(bǔ)了該不足.鑒于此，本文基于Python 語言對TEQC質(zhì)量檢核模塊進(jìn)行可視化軟件設(shè)計，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對編寫的軟件性能進(jìn)行測試.

1 TEQC 質(zhì)量檢核

質(zhì)量檢核模塊是TEQC 軟件的核心功能之一，其質(zhì)量檢核原理主要是利用GNSS 觀測數(shù)據(jù)的偽距和載波相位信息進(jìn)行線性組合，實(shí)現(xiàn)對GNSS 數(shù)據(jù)的信噪比(SNR)、多路徑、電離層延遲和電離層延遲變化率等質(zhì)量檢核指標(biāo)的分析[11].用戶執(zhí)行TEQC 質(zhì)量檢核功能后會生成多個質(zhì)量檢核結(jié)果文件.質(zhì)量檢核結(jié)果文件類型包含質(zhì)量檢核摘要文件、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息文件、質(zhì)量檢核指標(biāo)結(jié)果文件，其文件數(shù)量取決于衛(wèi)星信號頻點(diǎn)總數(shù).在眾多質(zhì)量檢核文件之中，質(zhì)量檢核摘要文件的內(nèi)容最為豐富，給出了觀測歷元、觀測值統(tǒng)計、觀測失鎖統(tǒng)計、觀測值刪除統(tǒng)計、周跳比和多路徑等數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)值.因此，在進(jìn)行GNSS 數(shù)據(jù)質(zhì)量全面評估時，質(zhì)量檢核摘要文件是不可或缺的部分[12].

TEQC 軟件實(shí)際上是一個可執(zhí)行文件(exe 文件)，需在DOS 環(huán)境中設(shè)置不同參數(shù)指令，才可完成TEQC軟件質(zhì)量檢核功能.質(zhì)量檢核模式依據(jù)質(zhì)量檢核指令中是否添加廣播星歷文件分為完整模式和輕量模式[7]，在廣播星歷缺省狀態(tài)下，輕量模式只會生成部分質(zhì)量檢核結(jié)果文件(不包含高度角和方位角等信息文件).一般情況下，完整模式輸出全部的質(zhì)量檢核結(jié)果文件，下文如不特別說明均采用完整模式解算.

隨著TEQC 軟件的持續(xù)改進(jìn)，不同版本的質(zhì)量檢核指令存有微小差異，如更新日期在2013-11-13以上的TEQC 版本，在DOS 環(huán)境中輸入teqc+qc+all+ssv?nav brdm1681.20L abmf1682_e.20O，默認(rèn)僅生成1 個質(zhì)量檢核摘要文件.因此，需完全輸出所有質(zhì)量檢核文件，應(yīng)在+qc 指令后添加+plot 參數(shù)，相應(yīng)的質(zhì)量檢核指令如下：

其中：+qc 為選擇質(zhì)量檢核；+plot 為輸出所有質(zhì)量檢核結(jié)果文件；+all 為添加所有觀測類型數(shù)據(jù)；+ssv 為輸出每個衛(wèi)星的多路徑值；?nav 為輸入廣播星歷文件，多個廣播星歷文件可并行輸入.

完整模式下生成的質(zhì)量檢核結(jié)果文件類型如表1 所示.

表1 完整模式下質(zhì)量檢核結(jié)果文件類型

長期以來，TEQC 軟件質(zhì)量檢核模塊只支持GPS 和GLONASS 雙系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)和GALIEO 觀測數(shù)據(jù)不兼容.但隨著TEQC軟件的持續(xù)優(yōu)化，TEQC 2019-02-12 版本已提供BDS和GALIEO 數(shù)據(jù)接口，可以進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢核操作[13].

2 基于Python 的TEQC質(zhì)量可視化設(shè)計

鑒于TEQC 質(zhì)量檢核可視化功能相對欠缺，本文利用Python 語言對TEQC 質(zhì)量檢核結(jié)果文件進(jìn)行了界面化設(shè)計與封裝處理，編寫了一款TEQC 質(zhì)量檢核的可視化軟件TPP(TEQC Plot of Pyhone).該軟件包含數(shù)據(jù)導(dǎo)入、質(zhì)量檢核、參數(shù)選擇、繪圖和保存等5 個模塊.其中，繪圖模塊是核心，參數(shù)選擇模塊的參數(shù)選項(xiàng)可根據(jù)用戶需求靈活設(shè)置，涵蓋衛(wèi)星數(shù)目限定與衛(wèi)星選定，可隨機(jī)進(jìn)行組合，查看需求衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核指標(biāo)情況，以滿足精密單點(diǎn)定位(PPP)的數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).TPP 軟件結(jié)構(gòu)具體流程如圖1 所示.

圖1 TPP 軟件結(jié)構(gòu)圖

繪圖模塊作為TPP 軟件核心，其可依據(jù)質(zhì)量檢核模塊輸出的結(jié)果文件，分別繪制極坐標(biāo)天空圖、衛(wèi)星觀測序列圖和高度角時間序列圖、參數(shù)時間序列圖以及質(zhì)量檢核指標(biāo)參數(shù)時間序列圖(包括SNR、多路徑和電離層延遲等).但由于單個圖形間相互對比性較差，難以充分顯示不同質(zhì)量檢核指標(biāo)相關(guān)性.因此，TPP 將極坐標(biāo)天空圖、衛(wèi)星觀測序列圖和高度角時間序列圖作為底圖形式疊加SNR、多路徑和電離層延遲等質(zhì)量檢核信息，可進(jìn)一步分析高度角、方位角和觀測時段與檢核質(zhì)量指標(biāo)各因素間的相關(guān)關(guān)系；同時增設(shè)了質(zhì)量摘要信息顯示功能，通過質(zhì)量摘要信息與繪圖模塊的聯(lián)合分析，用戶能夠綜合判別每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞，利于后期的數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除出部分質(zhì)量較差的衛(wèi)星觀測信息，從而提高基線解算的質(zhì)量.圖2 為TPP 主體界面.

圖2 TPP 主體界面

TPP 還可限制觀測時段，解析不同觀測時段下的衛(wèi)星數(shù)目與質(zhì)量檢核情況，將普遍質(zhì)量偏差的時段進(jìn)行切割處理.其次，TEQC 封裝于TPP 之中，通過獨(dú)立線程在后臺運(yùn)行，減免了用戶牢記TEQC 復(fù)雜檢核指令，減輕了底層數(shù)據(jù)處理重復(fù)性.

3 TPP 軟件性能測試

為測試TPP 軟件性能穩(wěn)定性和驗(yàn)證TEQC 針對GALILEO 系統(tǒng)的質(zhì)量分析情況，本文選取了MGEX(Multi-GNSS Experiment)基準(zhǔn)站ABMF 站2020 年6 月16 日全天的GAILIEO 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，作為軟件性能測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).并通過TPP 軟件對GAILIEO衛(wèi)星E6 頻點(diǎn)上的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核結(jié)果進(jìn)行可視化測試分析.

3.1 質(zhì)量檢核摘要顯示測試

TEQC 的質(zhì)量檢核模式會生成兩種用戶所需要的質(zhì)量檢核結(jié)果(質(zhì)量檢核摘要、質(zhì)量檢核指標(biāo)).質(zhì)量檢核摘要文件主要是記錄衛(wèi)星系統(tǒng)質(zhì)量評估匯總結(jié)果，而質(zhì)量檢核指標(biāo)結(jié)果文件更多地是記錄每顆衛(wèi)星的質(zhì)量檢核指標(biāo)在不同時段、方位角及高度角的詳細(xì)信息.通過兩者的相互補(bǔ)充，可實(shí)現(xiàn)對GNSS 觀測數(shù)據(jù)的總體質(zhì)量評估，質(zhì)量檢核摘要界面如圖3 所示.

圖3 質(zhì)量檢核摘要顯示界面

3.2 極坐標(biāo)天空圖測試

極坐標(biāo)天空圖主要包含兩種衛(wèi)星位置信息因素：1)高度角；2)方位角.依據(jù)兩種因素變化趨勢，可給出衛(wèi)星信號的運(yùn)行軌跡.同時極坐標(biāo)天空圖還可添加質(zhì)量檢核指標(biāo)信息于衛(wèi)星軌跡之上，利于從空間角度解析質(zhì)量檢核指標(biāo)的變化情況.

圖4 為GALILEO 衛(wèi)星的高度角與方位角的變化情況.由圖4 可知，ABMF 站的觀測數(shù)據(jù)總計接收到22 顆GALILEO 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，表明ABMF 站GALILEO信號較為良好.

圖4 GALILEO 衛(wèi)星極坐標(biāo)天空圖

圖5 給出了GALILEO 衛(wèi)星的E6 頻點(diǎn)上SNR 的變化情況.由圖5 可知，E6 頻點(diǎn)SNR 值基本穩(wěn)定在30～55 dB-Hz，表明ABMF 站的觀測位置條件良好，并未受到太多遮擋物干擾.此外，GALILEO 衛(wèi)星E6頻點(diǎn)低SNR 數(shù)值集中于高度角10°～20°，后續(xù)對GALILEO 觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理時，可通過限制高度角范圍，剔除質(zhì)量較差的觀測信息，以保證定位精度.

圖5 GALILEO 衛(wèi)星E6 頻點(diǎn)上SNR 極坐標(biāo)天空圖

3.3 衛(wèi)星觀測序列圖測試

衛(wèi)星觀測序列圖是依據(jù)不同觀測時段下衛(wèi)星的可見性繪制而成，用戶可了解每顆衛(wèi)星信號的接收與結(jié)束時段信息.通過質(zhì)量檢核指標(biāo)的疊加顯示，質(zhì)量檢核信息被有序的分布在每顆可見衛(wèi)星上，利于從時間角度解析不同衛(wèi)星質(zhì)量檢核指標(biāo)在觀測時段的變化情況.

圖6 為GALILEO 衛(wèi)星在2020 年6 月16 日的全天衛(wèi)星可見性情況.由圖6 可知，多數(shù)GALILEO 衛(wèi)星的觀測時段大于9 h，僅有少數(shù)可視衛(wèi)星E33、E19和E12 的觀測時段相對較短.

圖6 GALILEO 衛(wèi)星觀測序列圖

圖7 為GALILEO 衛(wèi)星 E6 頻點(diǎn)上多路徑值與可見性之間的關(guān)系情況.由圖7 可知多路徑值與可見性并未存在關(guān)聯(lián).但在接收機(jī)開始與停止接收衛(wèi)星信號的前后時段，多路徑值較大.因此，可利用TEQC 軟件的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，將多路徑效應(yīng)嚴(yán)重的時段進(jìn)行剔除，以保證GNSS 數(shù)據(jù)質(zhì)量.

圖7 GALILEO 衛(wèi)星E6 頻點(diǎn)上多路徑觀測序列圖

3.4 高度角時間序列圖測試

高度角時間序列圖是反映的不同歷元下衛(wèi)星高度角的變化情況，用戶可從時空角度去判別質(zhì)量檢核指標(biāo)的變化情況.

圖8 與圖9 中分別給出了GALILEO 衛(wèi)星高度角和E6 頻點(diǎn)上電離層延遲的變化情況，由圖8 和圖9可知，電離層延遲與高度角存有一定關(guān)聯(lián)性，電離層誤差是由電離層效應(yīng)引起的觀測值誤差，其存在一定正負(fù)值[14].伴隨高度角的增加，電離層延遲逐漸減小，反之亦然.

圖8 GALILEO 衛(wèi)星高度角時間序列圖

圖9 GALILEO 衛(wèi)星E6 頻點(diǎn)上電離層延遲隨高度角變化信息圖

3.5 質(zhì)量檢核指標(biāo)參數(shù)時間序列圖測試

指標(biāo)參數(shù)時間序列圖是質(zhì)量檢核指標(biāo)隨時間的變化關(guān)系，用于分析各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的變化情況.為驗(yàn)證單顆衛(wèi)星質(zhì)量可視化效果，結(jié)合圖6 本文選取了觀測時段較長的E03 衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

圖10 為E03 衛(wèi)星在E6 頻點(diǎn)上質(zhì)量檢核指標(biāo)隨時間的變化關(guān)系.由圖10 可知，E03 共有04:00—14:00 與15:00—20:00 兩個觀測時段，其對應(yīng)的質(zhì)量檢核指標(biāo)波動存有差異.04:00—14:00 時段僅在開始與結(jié)束時出現(xiàn)較大波動，而15:00—20:00整時段波動性都較大.結(jié)合高度角信息可知高度角越大的區(qū)間，質(zhì)量檢核指標(biāo)波動較小.上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)了SNR 與高度角成正比[15-16]、多路徑值與高度角成反比[17]以及電離層延遲與高度角成反比[18]等相關(guān)結(jié)論.

圖10 E03 衛(wèi)星E6 頻點(diǎn)上質(zhì)量檢核指標(biāo)參數(shù)時間序列圖

4 結(jié)束語

針對TEQC 2013-03-15 以后版本生成的質(zhì)量檢核結(jié)果文件，難以采用現(xiàn)有的軟件對其可視化表達(dá)，不利于準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)預(yù)處理這一問題.本文利用Python語言對TEQC 的質(zhì)量檢核模塊進(jìn)行了可視化設(shè)計，編寫了一款TPP 質(zhì)量可視化軟件，并采用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件性能測試，得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

1) TPP 質(zhì)量可視化軟件可對單顆衛(wèi)星以及多顆衛(wèi)星不同觀測時段下數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核結(jié)果的可視化分析，輸出的可視化圖形較為豐富，能較為直觀反映出該系統(tǒng)下每顆衛(wèi)星的質(zhì)量狀況；

2) TPP 質(zhì)量可視化軟件設(shè)置了質(zhì)量檢核摘要和質(zhì)量檢核指標(biāo)的雙重判別模式，增強(qiáng)了用戶對于整體與局部衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的判斷；

3) TPP 質(zhì)量可視化軟件結(jié)合TEQC 軟件的文件切割與合并、衛(wèi)星系統(tǒng)的選擇以及特定衛(wèi)星的禁用等功能，可提取有效的GNSS 觀測數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)GNSS 高精度數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備.