基于TEQC的GNSS數據質量可視化表達與分析

張顯云，姚黔貴，張鵬飛，黃安信，張 俊

(1. 貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽550025； 2. 貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550003； 3. 貴州電力建設第二工程公司，貴州 貴陽 550002)

一、引 言

如何對GNSS原始觀測值質量作出快速、準確的評價，繼而剔除觀測質量較差的數據，為基線向量的解算提供較為“干凈”的數據源，成為高精度GNSS定位首先需解決的問題。TEQC可用于檢核雙頻接收機的動態和靜態數據質量，利用偽距觀測值和載波相位觀測值的線形組合來進行GNSS數據的誤差估計，在快速評定GNSS數據質量方面有著非常大的優勢：一方面速度快，沒有繁瑣的操作步驟，只用幾條簡單的命令即可；另一方面能對GNSS觀測數據進行多角度全方位的質量分析，分別從衛星高度角、方位角、多路徑效應、電離層延遲誤差、電離層延遲變化率、信噪比等方面反映GNSS觀測數據的質量，并可借助第三方軟件(如QcView軟件)對檢核結果進行可視化表達[1-4]。然而，TEQC不具備可視性，交互性差，且可視化分析需借助第三方軟件，這些均給實際操作帶來不便。此外，TEQC不能禁用單顆衛星部分歷元質量不高的觀測值，只能禁用全部觀測值，這對衛星數較少的情況極為不利。筆者以Visual C#為開發平臺，采用Chart控件，開發可視化GNSS數據質量分析與預處理軟件，實現對TEQC核心功能的可視化封裝，并擴展禁用單顆衛星部分歷元觀測數據的功能。

二、軟件功能模塊設計及實現

TEQC能實現GNSS原始數據的格式轉換、數據的質量檢查與編輯等，鑒于大多數商用隨機軟件已具備格式轉換的動能，本文主要以TEQC的數據編輯和質量檢查功能為封裝對象，開發基于TEQC的GNSS數據質量分析及預處理軟件Chart-QC，其功能模塊主要包括：GNSS原始數據質量檢查、數據質量檢查結果的可視化表達和GNSS數據編輯。限于篇幅，本文僅以多路徑誤差為例，來闡述軟件的實現過程。

1. GNSS原始數據質量檢查的實現

TEQC質量檢查根據是否使用導航文件，分為qc2lite和qc2full兩種檢核方式。在缺省狀態下，qc2lite方式會生成質量檢核摘要文件、電離層延遲誤差、電離層延遲變化率、L1和L2載波上P碼偽距的多路徑效應(包括接收機噪聲)、L1和L2載波的信噪比。如使用了導航電文，則采用qc2full方式進行質量檢查，它除生成qc2lite方式下的所有文件外，還將產生衛星和接收機天線的位置信息，以及方位角和高度角兩個數據文件。

TEQC實質上是一個可執行文件(exe文件)，通過設置不同的參數，在DOS環境下可完成TEQC的數據質量檢查、數據編輯、單點定位等功能。Chart-QC軟件則采用進程Process類調用TEQC命令，對TEQC功能進行封裝，后臺完成GNSS數據的檢查，從而避免了中間諸多的步驟與設置。質量檢查部分代碼如下[5]

private void QCheck(string filename)

{

Process myprocess=new Process():∥定義進程Process類對象

string path=Application.Startup Path;

path=path.Remove(path.LastIndexOf("\"))；

path=path.Remove(path.LastIndexOf("\"))；

path=path+"\"+"teqe.exe"；∥TEQC路徑及TEQC命令

myprocess.StartInfo.filename=path;∥可執行程序文件名

myprocess.StartInfo.Argument="+qc"+""+filenme;∥TEQC參數設置

myprocess.StartInfo.CreateNoWindow=true；∥不顯示DOS窗口

myprocess.StartInfo.UseShellExecute=false；∥不使用系統外殼程序啟動

try

{

myprocess.Start()；∥啟動進程

myprocess.WaitForExit()；∥等待檢查執行結果

}

catch(Exception ex)

{

MessageBox.Show("執行失敗，"+"失敗的原因："+ex.ToString())；

}

finally

{

myprocess.Close()；∥關閉進程

myprocess.Dispose；∥釋放系統資源

}

}

代碼中質量檢查參數是按qc2lite方式進行設置的，經驗證知：只要導航文件與觀測值文件位于同一目錄下，質量檢查同樣按qc2full方式進行。

Chart-QC軟件界面如圖1所示。

圖1 Chart-QC軟件界面

2. 數據質量檢核結果的可視化表達

數據檢核的目的是為了評價觀測值文件的質量，以便對其進行編輯，刪除質量不高的部分觀測值。為了便捷、直觀地分析觀測值的質量，需將各種檢核結果文件繪制成圖像。Chart-QC軟件采用微軟Chart控件來實現對分析結果的可視化表達。下面以多路徑效應檢核文件為例，闡述Chart控件圖像繪制的實現過程。

(1) 多路徑效應文件結構解析

在繪制圖像前，首先需對文件結構進行了解，以便對文件進行讀取。多路徑效應文件結構如圖2所示。

圖2 多路徑效應文件結構圖

多路徑效應文件與其他檢核結果文件結構相同，文件頭部分含義一樣。圖2中，“SVS”表示衛星及編號；“T_SAMP”表示采樣間隔，以秒為單位，本例中為5 s；“START_TIME_MJD”表示觀測值文件中第一個觀測記錄的時刻，為修正的儒略日期；衛星標識“9 01 07 08 11 17 19 20 28 32”中，第一個數字“9”表示觀測并記錄了9顆衛星，其余數字表示記錄的衛星編號，一般只有在觀測衛星或總的觀測衛星數發生變化時，文件中才會重新標識此信息；衛星標識下一行為多路徑效應，一顆衛星一個歷元對應一個值。

(2)多路徑效應的可視化表達

為直觀表達觀測值質量，需對衛星各歷元的多路徑效應、信噪比、衛星高度角和方位角、電離層誤差進行讀取，并計算對應的歷元時刻。鑒于每個觀測值文件中記錄每顆衛星的檢測結果均包括以上元素，歷元時刻可根據衛星是否記錄進行推算。因此，可定義一個衛星類(Satellite類)，并采用索引的方式，獲取類中相關字段的值。Satellite類結構如下[6]

class Satellite

{

public float Mp1;∥P1 多路徑效應

public float Mp2;∥P2 多路徑效應

.........................................................

public static Int32[] SatNo:∥觀測衛星編號

∥構造函數

public Satellite(float a,float b,float c,float d,float e,float f,float g,float h,float t)

{

Mp1=a；

Mp2=b；

.........................................................

}

∥類索引

public float this [int index]

{

get

{

switch(index)

{

case 0:return Mp1;

case 1:return Mp2;

.....................................................

default:

throw new IndexOutOfRangeException("下標越界!");

}

}

set

{

switch(index)

{

cass 0:Mp1=value;break;

cass 1:Mp2=value;break;

......................................................

default

throw new IndexOutOfRangeException("下標越界！")；

}

}

}

}

為方便獲取各衛星的相關信息，并顧及每顆衛星可能包含若干歷元的信息、且歷元間可能不連續，主程序采用List類定義了32個satellite數組

List[]satellite=new List [32];

∥實例化32個Satellite類對象

for(int i=0;i<32;i++)

{

satellite[i]=new List();

}

satellite 數組中每個元素均為List類的實例，每個數組又以Satellite類實例對象為元素，從而可采用List類中的Add方法，以衛星編號為索引，實現對記錄衛星檢核結果文件中各個歷元相關信息的讀取，并采用類索引獲取所需信息，關鍵代碼如下

Satellite G=new Satellite(b,c,0,0,0,0,0,0,time);∥創建對象G

satellite[(Satellite.SatNo[k]-1)].Add(G);∥將對象G添加到第SatNo[k]個List數組中

在讀取完一個文件后，便可利用類索引獲得所需元素，并利用chart控件繪制圖形，代碼如下

for(int i=0;i

{

series1.Points.AddXY (satellite [j] [i] [8], satellite

[j] [i] [0]);

series2.Points.AddXY (satellite [j] [i] [8], satellite

[j] [i] [1]);

}

代碼中，j為衛星編號；satellite [j].Count為該衛星的歷元數；satellite [j] [i] [0]為衛星j第i個歷元的L1多路徑效應；satellite [j] [i] [1]為衛星j第i個歷元的L2多路徑效應；satellite [j] [i] [8]為衛星j第i個歷元對應的歷元時刻。

3. GNSS觀測數據的編輯

對檢核結果文件可視化表達后，便可直觀地對觀測值文件進行質量分析，從而對質量較差的數據進行編輯。數據的編輯包括RINEX文件的切割與合并、衛星的選擇和禁用、高度角的設置等，同樣可通過調用TEQC命令來實現。如要禁用某顆GPS衛星全部觀測值，可設置TEQC參數為

teqc - G# 輸入文件> 輸出文件

其中，參數“G”表示GPS衛星；“#”表示衛星編號。

然而，TEQC對衛星的禁用是禁用該衛星的全部觀測數據，這對觀測條件不好、衛星較少時的情況非常不利。Chart-QC軟件在分析RINEX文件結構的基礎上，結合可視化圖形，實現了對單顆衛星部分觀測值進行禁用的功能，在改善原始觀測值質量的同時，提高了觀測數據的利用率。基本思路為：

1) 判斷多路徑誤差大小。

2) 獲取異常多路徑誤差對應的歷元。

3) 刪除RINEX文件中對應歷元的衛星標識及觀測值。

4) 保存RINEX文件。

4. 數據的保存

數據編輯完成后，還需將編輯后的數據進行存盤。Chart-QC提供3種保存方式，即替換存盤、更改路徑存盤、改名存盤。

三、軟件性能整體測試

采用某GPS控制網29個觀測值文件對Chart-QC軟件的功效進行測試，主要是對電離層跳變嚴重、多路徑效應較大、衛星失鎖頻繁的觀測值進行編輯。可以禁用單顆衛星觀測值，也可禁用觀測文件某連續時間段內的所有衛星觀測值，或者禁用單顆衛星部分歷元觀測值，需具體情況具體分析。

將原始觀測值數據與經Chart-QC軟件編輯后的觀測值數據間的多路徑效應、觀測值總數與發生周跳觀測值個數之比進行對比分析，部分結果見表1。

表1 GNSS數據編輯前后質量比對

對結果進行分析可知，預處理后數據的觀測質量相對于原始數據質量有了大幅度的提高。首先，從有效率指標來看，數據文件中有效率有的減小了，有的增大了，但整體上有效率普遍保持不變；其次，從多路徑誤差來看，mp1值普遍減小，其中減小值最小為5.3%、最大為33.3%；mp2值同樣普遍減小，減小值最小為17.7%、最大為46.9%；最后，從觀測值總數與發生周跳觀測值個數之比(o/slps)來看，o/slps值普遍增大，且增幅很大。顯然，Chart-QC軟件實現了GPS觀測數據預處理的目的。

為進一步評價Chart-QC軟件在GNSS數據質量分析與編輯方面的功效，在保持相同的高度角、采樣間隔、電離層模型等基線處理參數設置的情況下，采用GPS數據處理軟件對所有基線按兩種方案進行一次性處理。

方案1：對原始GPS觀測值文件進行基線解算。

方案2：對經Chart-QC軟件編輯后的觀測值文件進行基線解算。

基線質量的絕對質量指標是判定基線質量合格與否的重要參數，包括獨立環閉合差和復測基線長度較差[7-10]。此處主要以這兩個指標來評價Chart-QC的功效。根據文獻[6]，獨立環閉合差限差為

復測基線長度較差限差為

式(1)、式(2)中，σ為基線測量精度；其余符號含義可參見文獻[6]。σ可按下式進行計算

由于編輯前后的文件均由相同的GPS接收機進行施測，且同名基線弦長一致，故基線測量精度σ相同，繼而復測基線長度較差之限差也相同；此外，同名獨立環基線邊數相同，且為相同的基線，故獨立環閉合差限差也相同。因此，將編輯前后文件進行基線處理所得獨立環閉合差、復測基線長度較差之絕對值進行比較，其中的較小者，更容易滿足限差要求，數據質量自然較高。于是，為宏觀評價上述指標值的大小，將方案2結果之絕對值減方案1結果之絕對值，結果如圖3和圖4所示。

圖3 異步環及分量閉合差絕對值之差

圖4 復測基線長度較差之差

由圖3、圖4可以看出，獨立環分量閉合差及環閉合差、復測基線長度較差之絕對值之差大都小于0，也即方案2結果之絕對值大都小于方案1結果之絕對值，說明經由Chart-QC軟件編輯后的數據整體質量有所改善，從而說明了基于TEQC的Chart-QC軟件能對GNSS觀測數據的質量進行檢查、并能根據可視化分析結果優化觀測值質量。差值等于0是因某些原始觀測數據質量本身較高，沒有對其進行編輯處理所致。

四、結束語

在分析TEQC軟件優缺點的基礎上，結合Visual

C#面向對象程序設計的方法，對TEQC進行了基于Windows界面的可視化封裝，采用Chart控件實現了質量檢核結果的可視化表達，實現了GNSS觀測數據預處理過程的簡潔化。程序運行及處理結果表明：Chart-QC操作簡單、界面友好；質量檢核結果可視化圖形美觀、易于分析；能在檢查與分析觀測值質量的基礎上，對觀測數據進行編輯，繼而改善基線質量，為網平差提供質量較好的觀測值，從而有利于提高定位精度，從而也驗證了TEQC軟件自身在數據分析與編輯方面的功效。

參考文獻：

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