胡玉坤，劉根友，沙文東

(1. 寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042； 2. 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所，湖北 武漢 430077；3. 武漢市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430022)

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TEQC軟件下的GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

胡玉坤1，劉根友2，沙文東3

(1. 寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042； 2. 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所，湖北 武漢 430077；3. 武漢市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430022)

利用基于Matlab二次開發(fā)的SPEC模塊在Windows下對(duì)TEQC質(zhì)量檢核生成的繪圖文件進(jìn)行直觀顯示，便于了解測(cè)站觀測(cè)環(huán)境以剔除不良時(shí)間段和衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)剔除前后的數(shù)據(jù)利用自編軟件進(jìn)行基線解算，試驗(yàn)表明，利用TEQC處理后的基線精度有了一定程度的提高。

Matlab二次開發(fā)；SPEC模塊；TEQC質(zhì)量檢核；基線解算

GPS定位精度取決于原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和算法的選擇，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理之前，應(yīng)當(dāng)對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查。通常評(píng)定觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量有兩種方法：一是根據(jù)商業(yè)軟件的基線解算結(jié)果進(jìn)行分析；二是采用專業(yè)的質(zhì)量評(píng)定軟件TEQC[1]。TEQC(Translate/Edit/Quality Check/Coordinate)是由UNAVCO Facility 研制的為地學(xué)研究GPS監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)管理服務(wù)的公開免費(fèi)軟件，主要功能有格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯和質(zhì)量檢核,可用于檢查雙頻GPS接收機(jī)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量。其簡(jiǎn)短的幾條命令便可對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的信噪比、周跳、多路徑呈現(xiàn)出一個(gè)直觀的顯示，極大地方便了觀測(cè)數(shù)據(jù)中粗差的剔除[2-5]。本文主要利用基于Matlab開發(fā)的SPEC模塊對(duì)TEQC處理文件直觀顯示，并利用自編軟件對(duì)處理前后的基線進(jìn)行解算來(lái)驗(yàn)證處理前后數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

一、TEQC質(zhì)量檢核原理與可視化分析

1. TEQC質(zhì)量檢核原理

TEQC的質(zhì)量檢核是通過(guò)偽距和載波觀測(cè)值的線性組合來(lái)計(jì)算L1偽距C/A碼或P碼的多路徑、L2偽距P碼多路徑、電離層延遲和電離層延遲的變化率，以及接收機(jī)的鐘漂和信噪比等信息。根據(jù)是否使用導(dǎo)航電文，可以分為qc-lite和qc-full模式。在qc-full模式下可以生成1個(gè)質(zhì)量匯總文件和8個(gè)繪圖文件。

雙頻測(cè)相偽距和碼偽距[6]如下

(1)

L1-L2=(α-1)I+λ1n1-λ2n2+m1-m2

(2)

由式(2)中的第一式與第三式可求得電電離層延遲I

I=(P1-L1+λ1n1+m1-M1)/2

(3)

將式(3)代入式(2)可得

(4)

記式(4)左邊為mp1,右邊忽略相位多路徑可得

(5)

(6)

(7)

對(duì)于質(zhì)量匯總文件，幾個(gè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)(多路徑、數(shù)據(jù)完整性、周跳比及信噪比)都在其中。mp1和mp2是隨著時(shí)間變化的，與Mi相比mi幾乎可以忽略?？蓪p1和mp2直接視為偽距多路徑的影響，習(xí)慣將其在一定時(shí)間窗口內(nèi)的均方根作為反映觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的指標(biāo)。IGS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)表明，mp1平均值小于0.5，mp2平均值小于0.75。因此本文對(duì)于mp1和mp2的閾值分別取0.5和0.75。總的來(lái)說(shuō)，mp1和mp2越小，說(shuō)明抗多路徑效應(yīng)的能力越強(qiáng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。數(shù)據(jù)完整性為預(yù)期歷元數(shù)與實(shí)際觀測(cè)歷元數(shù)的比值，O/Slips為觀測(cè)值個(gè)數(shù)與周跳的比值，也可用CSR=1000/O/Slips表示。信噪比(SNR值)是指接收機(jī)載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值。信噪比值越高，觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量越好。文件中以5°為區(qū)間列出了10°—90°高度角范圍內(nèi)所有歷元信噪比的平均值。

2. 繪圖工具及其二次開發(fā)

目前能夠繪制TEQC生成的繪圖文件的軟件大都是基于DOS的，人機(jī)交互性差。包括QCVIEW32、QC2SKY和CF2PS等[7-9]，可以顯示單個(gè)衛(wèi)星或分色顯示所有衛(wèi)星的數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線圖。本文利用Matlab軟件，通過(guò)二次開發(fā)的SPEC程序模塊，可以實(shí)現(xiàn)在Windows界面下直接打開TEQC并直觀地顯示其繪圖文件，根據(jù)用戶需求的不同，采用零相位數(shù)字濾波對(duì)多路徑效應(yīng)進(jìn)行濾波，繪制多路徑天空?qǐng)D[10-13]。

二、GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

對(duì)處于樓頂開闊視野下的一條短基線進(jìn)行24 h連續(xù)觀測(cè)(如圖1所示)，為了便于橫向?qū)Ρ?，可將兩接收機(jī)分別安裝不同的天線(TRIM59800.00和安騰科技公司生產(chǎn)的天線)。用TEQC處理觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)上文所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)剔除觀測(cè)質(zhì)量較差的時(shí)間段及衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在剔除的過(guò)程中會(huì)用到TEQC的數(shù)據(jù)編輯功能，如RINEX文件的切割、特定衛(wèi)星的禁用等。為了更好地對(duì)比TEQC處理前后GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量的變化。對(duì)TEQC處理前后的數(shù)據(jù)采用自編軟件解算[14]。

圖1　現(xiàn)場(chǎng)基線布設(shè)圖

采用2015年6月5日至6月6日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)文件分別為Trim.15o、Anteng.15o。在IGS網(wǎng)站上下載相應(yīng)的廣播星歷，qc-full模式下即可得到質(zhì)量匯總文件*.15S和8個(gè)繪圖文件*.azi、*.ele、*.iod、*.ion、*.mp1、*.mp2、*.sn1、*.sn2。打開Trim.15S和Anteng.15S可以看到觀測(cè)時(shí)段、多路徑效應(yīng)、信噪比、周跳比及衛(wèi)星高度角的變化等詳細(xì)信息。

由表1可以看出，由于觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)且觀測(cè)環(huán)境較好，因此多路徑效應(yīng)和周跳比皆小于選取的閾值。由于是短基線(10m)，故可視A、B兩點(diǎn)處于同等觀測(cè)條件，B點(diǎn)的多路徑效應(yīng)比A點(diǎn)的大，周跳比A點(diǎn)較B點(diǎn)的大，說(shuō)明了A點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量?jī)?yōu)于B點(diǎn)。

表1　mp1、mp2、O/Slips統(tǒng)計(jì)值

運(yùn)用基于Matlab開發(fā)的SPEC程序模塊繪制多路徑效應(yīng)隨時(shí)間的變化圖及信噪比隨高度角的變化圖，檢測(cè)出質(zhì)量較差的衛(wèi)星數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)時(shí)段。圖2為原始觀測(cè)數(shù)據(jù)每顆衛(wèi)星L1與L2載波的多路徑效應(yīng)隨時(shí)間變化圖，圖3為原始觀測(cè)數(shù)據(jù)L1與L2載波的信噪比隨高度角的變化圖。

圖2　觀測(cè)時(shí)段內(nèi)每顆衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)

圖3　信噪比隨高度角的變化

從圖2可以看出，PRN04、PRN07的多路徑效應(yīng)比較顯著，15:24至16：10和1：12至3.30時(shí)間段的多路徑效應(yīng)比較大。從圖3可以看出，L1的信噪比要明顯優(yōu)于L2的信噪比，并且隨著高度角的增加，信噪比逐漸增大。利用TEQC中的數(shù)據(jù)編輯功能對(duì)上述衛(wèi)星及觀測(cè)時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。輸入指令：>teqc-G04,07 Anteng.15o>Anteng1.15o可得到剔除PRN04、PRN07衛(wèi)星的觀測(cè)文件Anteng1.15o。對(duì)異常時(shí)間段的剔除可以分段處理，輸入指令：>teqc-st 20150605080000-e 20150605152400 Anteng1.15o>Anteng2.15o可得到起始時(shí)刻至15：24的觀測(cè)文件Anteng2.15o，同理可以獲得16：10 至次日1：12的觀測(cè)文件Anteng3.15o和3：30至終止時(shí)刻的觀測(cè)文件Anteng4.15o。利用TEQC對(duì)上述3個(gè)文件進(jìn)行質(zhì)量檢核，其mp1、mp2及周跳比見表2。

表2　mp1、mp2、O/Slips統(tǒng)計(jì)值

從表2可以看出，相對(duì)于表1中Anteng.15o文件的mp1、mp2及O/Slips，剔除后3個(gè)觀測(cè)時(shí)段文件皆有提高。其中mp1、mp2平均提高了10%左右，O/Slips提高了120%左右。說(shuō)明在多路徑效應(yīng)比較顯著的地方，周跳現(xiàn)象比較嚴(yán)重，這為后續(xù)聯(lián)合多路徑消除周跳工作開拓了思路。

利用自編軟件對(duì)原始短基線和處理后形成的3個(gè)時(shí)段的短基線進(jìn)行解算，為了進(jìn)一步分析mp1、mp2對(duì)解算精度的影響，可以分別采用L1模式、L2模式及LC模式解算。自編基線解算軟件界面如圖4所示。解算精度見表3。

圖4　自編基線解算軟件界面

基線L1模式L2模式LC模式原始0．00410．00470．0087時(shí)段10．00370．00350．0068時(shí)段20．00390．00410．0076時(shí)段30．00380．00330．0069

從表3可以看出，無(wú)論是L1模式、L2模式還是LC模式，基線的解算精度都有所提高。說(shuō)明利用TEQC軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，并剔除不良觀測(cè)時(shí)段與衛(wèi)星，可在一定程度上提高基線結(jié)算的精度。

三、結(jié)束語(yǔ)

利用TEQC軟件對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核，操作簡(jiǎn)單，能夠快速生成反映GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量的一系列文件，通過(guò)基于Matlab二次開發(fā)的SPEC模塊可以在Windows下直觀地顯示GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，以便于用戶了解周邊的觀測(cè)環(huán)境并剔除不良觀測(cè)時(shí)段及衛(wèi)星數(shù)據(jù)。試驗(yàn)表明，對(duì)剔除前后的基線利用自編軟件解算后，其精度有了一定程度的提高，這對(duì)利用TEQC軟件處理GPS數(shù)據(jù)具有重要的實(shí)踐意義。

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GPS Data Quality Control Based on TEQC

HU Yukun,LIU Genyou,SHA Wendong

胡玉坤，劉根友，沙文東.TEQC軟件下的GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(10)：51-53.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0327.

2015-11-13；

2016-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(41321063)；大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(SKLGED2013-4-1-Z)

胡玉坤(1990—)，男，碩士，研究方向?yàn)镚NSS衛(wèi)星導(dǎo)航與定位。E-mail：huyukun0608@163.com

P228.4

B

0494-0911(2016)10-0051-03