賈鵬志，楊 力，朱恩慧

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院，鄭州 450001)

TEQC在GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析中的應用及改進

賈鵬志，楊 力，朱恩慧

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院，鄭州 450001)

針對GNSS數(shù)據(jù)處理軟件TEQC運行于DOS環(huán)境，存在操作不便，不能實現(xiàn)很好的可視化，人機交互性差等不足，探討應用及改進該軟件的方法。首先利用TEQC軟件得到關(guān)鍵性指標多路徑誤差、信噪比、數(shù)據(jù)利用率等信息，然后分別運用QCVIEW32、MATLAB對得到的結(jié)果文件進行繪圖，并提出利用RTKLIB軟件對原始觀測文件進行質(zhì)量分析和繪圖。實驗結(jié)果表明，利用TEQC結(jié)合MATLAB或者結(jié)合RTKLIB可以達到操作簡單方便的要求，同時還可以更直觀、更全面地對相關(guān)指標進行分析。

TEQC；MATLAB；RTKLIB；質(zhì)量分析；可視化

0 引言

隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的廣泛應用和發(fā)展，用戶對GNSS服務質(zhì)量的要求也逐漸提高。觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量將直接影響GNSS的定位精度和可靠性[1]。通過對GNSS觀測數(shù)據(jù)的多路徑效應、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、測站周圍環(huán)境以及接收機的性能等各個方面對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。也只有對原始數(shù)據(jù)進行分析才能確保GNSS解算精度以及觀測環(huán)境等滿足要求[2]。

目前，國內(nèi)外對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存在以下問題：1)必須在DOS界面下運行，操作不方便、界面不友好，而且需要DOS4GW.EXE、QCVIEW32.EXE等程序才可實現(xiàn)繪圖功能，可視化功能不強，操作繁瑣；2)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標以及誤差項分析不全面，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格式的美國全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)數(shù)據(jù)進行質(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估中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

本文利用國際GNSS服務(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文件通過事后分析驗證TEQC的質(zhì)量檢核功能并改進其應用方式。

1 TEQC軟件

目前應用廣泛的TEQC軟件是由美國衛(wèi)星導航系統(tǒng)與地球形變觀測研究大學聯(lián)合體(The University Navstar Consortium Facility，UNAVCO Facility)研發(fā)的一款公開免費軟件。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家的接收機觀測文件轉(zhuǎn)換為標準的Rinex文件；數(shù)據(jù)編輯主要是對觀測文件中的內(nèi)容進行操作，不僅能夠?qū)inex文件頭塊進行編輯而且能夠?qū)?shù)據(jù)文件部分進行操作[4]；質(zhì)量檢核是TEQC軟件的核心，不僅可計算出數(shù)據(jù)利用率、電離層延遲、多路徑、周跳比、信噪比等指標值并生成結(jié)果文件，而且能夠利用QCVIEW等軟件進行繪圖從而實現(xiàn)可視化。本文主要對TEQC質(zhì)量檢核功能進行研究。

1.1 TEQC質(zhì)量檢核

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

其中bjfs0950.14S是質(zhì)量檢查統(tǒng)計的摘要文件，是結(jié)果文件的核心部分，主要用于對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評定。一般情況下觀測人員主要是對該文件進行檢查，從而確定觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過對該文件進行分析，可以得到如表2所示的重要統(tǒng)計值。其他幾個文件主要用于做圖可視化，從而可直觀地對每一顆衛(wèi)星的單項質(zhì)量進行檢查。

表1 TEQC質(zhì)量檢查生成的視圖文件后綴及其含義

表2 S文件中觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計值

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；周跳比在一定程度上能夠反映載波相位觀測值的跳變情況，如果周跳比越大，說明該組GNSS數(shù)據(jù)在觀測時間段內(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，說明該組數(shù)據(jù)相對較好[5]。

1.2 結(jié)果文件可視化

由于TEQC沒有可視化界面，繪圖需要借助DOS4GW.EXE、QCVIEW32.EXE等程序，而且QCVIEW32.EXE不是一個在WINDOWS下執(zhí)行的程序，qcview32命令只能在DOS命令行使用[6]，畫圖命令為：qcview32 bjfs0950.**。該軟件雖然可實現(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teqcplot.m程序?qū)Y(jié)果文件進行繪圖。結(jié)果對比如下：

1)衛(wèi)星高度角和方位角。對bjfs0950.azi和bjfs0950.ele這2個文件分別利用QCVIEW32.EXE和MATLAB進行繪圖。結(jié)果如圖1和圖2所示。通過分析衛(wèi)星高度角及方位角的變化可以幫助用戶分析單個衛(wèi)星在觀測時段的位置情況，也可以清楚判斷哪顆衛(wèi)星處于較低仰角，進而判斷是否剔除該星的數(shù)據(jù)，從而保證解算時使用較好的觀測數(shù)據(jù)。通過對圖1(a)、圖1(b)和圖2(a)、圖2(b)進行對比可以發(fā)現(xiàn)：利用MATLAB繪制的圖可以很清楚地判斷出任意時刻哪顆衛(wèi)星是可見的，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。多路徑效應主要受到測站周邊環(huán)境的影響[8]，對多路徑誤差進行分析，可以準確判斷測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0.5個碼元寬度，而載波相位觀測值的多路徑誤差一般不超過1/4波長；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bjfs0950.mp1和bjfs0950.mp2這2個文件分別進行繪圖。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。通過對比可知，由MATLAB繪制的圖可以很清楚地判斷出任意衛(wèi)星在哪個時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個歷元左右處多路徑誤差最大，用戶就可以考慮在定位解算時是否刪除該星的數(shù)據(jù)。

3)電離層延遲誤差。電離層延遲對定位精度有很大影響，對電離層延遲進行研究分析很有必要性。2個不同頻率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個頻率的載波在電離層中傳播路徑相同，同時忽略雙頻載波觀測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。信噪比是載波信號強度與噪聲強度的比值，它主要受到天線增益參數(shù)、接收機中相關(guān)器的狀態(tài)以及多路徑效應3個方面的影響，是反應載波相位觀測質(zhì)量的指標之一[9]。根據(jù)IGS的數(shù)據(jù)檢測經(jīng)驗值設(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，說明各個衛(wèi)星的信號強度比較高，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開發(fā)的一個用于GNSS精確定位的開源程序包[10]。本文利用RTKLIB進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析而且通過繪圖功能對原始觀測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星可見性、衛(wèi)星天空視圖、DOP值、多路徑及衛(wèi)星高度角等指標進行圖形顯示，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，方便用戶對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行更全面的分析。本文利用RTKLIB對IGS網(wǎng)站提供的北京房山站2014年第95天的bjfs0950.14o文件進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

1)衛(wèi)星可見性及衛(wèi)星天空視圖。通過圖9和圖10可清楚地看出任意時刻的可見衛(wèi)星以及可見衛(wèi)星在天空中的視圖。分析可知在任意時刻該測站都滿足有4顆衛(wèi)星可見的條件，最多時可達到13顆衛(wèi)星可見，說明該站當天的數(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)星的可見性。

2)DOP值分析。在GNSS導航和定位中，使用幾何精度因子DOP來衡量觀測衛(wèi)星的空間幾何分布對定位精度的影響。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可以分析出每一時刻各個精度因子的值，精度因子值越小，定位精度越高。從圖11可以看出該站當天的DOP值變化，總結(jié)可知該站當天數(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：該站當天的多路徑影響比較小，說明數(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導航定位中一般優(yōu)先選取高仰角的原因。

3 結(jié)束語

本文利用TEQC軟件從多方面對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了具體分析，同時利用MATLAB軟件對結(jié)果文件進行繪圖，操作簡單方便，可以很直觀地對所有衛(wèi)星進行質(zhì)量分析，并判斷出任意時刻任意衛(wèi)星的狀況信息。另外通過結(jié)合RTKLIB軟件進行數(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。2個軟件不僅可以互相檢驗，還可以綜合起來更全面地對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析。

隨著北斗系統(tǒng)的發(fā)展，針對現(xiàn)有的不同數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件功能不全和質(zhì)量評估指標不完善等問題，后續(xù)工作可以從兩方面進行研究[12]：一方面需要對數(shù)據(jù)質(zhì)量分析中各種指標的計算方法進行研究，比如加入對流層影響、周跳探測以及誤差項分析等；另一方面需要對現(xiàn)有軟件和指標進行匯總，從而建立一套數(shù)據(jù)質(zhì)量評估體系，能夠?qū)inex3.xx格式的數(shù)據(jù)以及四大導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都進行全面質(zhì)量分析。開發(fā)一款界面友好、功能齊全、操作簡單以及開源可擴展的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件是未來數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的發(fā)展趨勢。

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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，研究方向為衛(wèi)星定位性能評估。

賈鵬志，楊力，朱恩慧.TEQC在GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析中的應用及改進[J].導航定位學報，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