龔真春,趙龍海,林成壽,劉存敏,陳戰(zhàn)勇

(1.解放軍61287部隊,甘肅 蘭州 730020;2.蘭州市榆中縣測繪室, 甘肅 蘭州 730100)

0 引 言

隨著中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)的正式運行和全球組網(wǎng)的加快推進,全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)已進入了多系統(tǒng)并存的局面,為提升定位精度、可靠性、時效性和連續(xù)性提供了新的技術(shù)支持。GNSS原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量直接關(guān)系到導航定位授時的精度和可靠性,對其質(zhì)量進行分析和評估是應(yīng)用中的一項非常重要的基礎(chǔ)工作。因此,如何快速、準確地對多模多系統(tǒng)GNSS原始觀測值質(zhì)量進行檢測與評估再次成為眾多學者研究的熱點。如文獻[1]基于Anubis軟件擴展了北斗導航系統(tǒng)新頻點新信號數(shù)據(jù)處理功能,封裝了界面可視化以及質(zhì)量檢核結(jié)果的可視化輸出,實現(xiàn)了對四大系統(tǒng)(GPS/BDS/GLONASS/Galileo)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核。文獻[2]針對新一代RINEX格式的GNSS數(shù)據(jù),開發(fā)了與TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測功能相近的軟件QC,并對其正確性進行了驗證。文獻[3]設(shè)計并實現(xiàn)北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件,具有檢核多路徑誤差、周跳、信噪比、數(shù)據(jù)可用率和電離層延遲等信息的功能。

本文以GNSS原始觀測數(shù)據(jù)為對象,闡述了GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核方法、流程及評價指標.介紹了RTKLIB軟件在GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方面的功能,用GPS實測數(shù)據(jù)對二者進行了對比驗證,指出了各自的優(yōu)勢與不足.將二者結(jié)合起來進行觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測與分析,能取得很好的效果.

1GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核方法及評價指標

關(guān)于GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核與評估,文獻[4]歸納有兩種方法:① 利用專門GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件進行質(zhì)量檢核;② 利用GNSS 數(shù)據(jù)解算軟件得出的基線解進行分析.文獻[5]指出可通過無幾何(Geometry-free)方法和幾何(Geometry-based)方法來實現(xiàn).實踐中大多采用專門數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件,如TEQC軟件、德國地學中心研發(fā)的GFZRNX軟件、GNSS Data Center(GDC)開發(fā)的BNC軟件、Leica公司的GNSS QC、南方測繪公司研制的DataQC2.0和中海達公司的HGO數(shù)據(jù)處理軟件包等[6].

1.1 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核原理及流程

GNSS衛(wèi)星信號從產(chǎn)生、傳播到接收的整個環(huán)節(jié)不可避免地會受到衛(wèi)星健康狀況、接收設(shè)備、傳播路徑、觀測環(huán)境等因素的影響.質(zhì)量檢核一般是指對多路徑效應(yīng)、信噪比、電離層延遲等參數(shù)進行檢查[7].其處理流程如圖1所示.

1.2 評價指標

GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標較多,而過多的指標并不能給GNSS高精度定位提供有效的信息[8].IGS、《中國地殼運動觀測技術(shù)規(guī)程》、《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314-2009)一般采用4項指標:觀測數(shù)據(jù)利用率(effective)、周跳比(o/slps)、偽距多路徑效應(yīng)MP1和MP2.其中，觀測數(shù)據(jù)利用率反映的是數(shù)據(jù)可用性與完好性,比值越大,說明數(shù)據(jù)質(zhì)量越好,是衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標；周跳比(o/slps)能夠反映載波相位觀測值的跳變情況,其值越大,說明出現(xiàn)的周跳越少,數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，一般用另一種較為直觀的值表示,即每千歷元的周跳數(shù)(CRS)來表示,計算公式見式(1)；多路徑效應(yīng)MP1和MP2對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量影響最嚴重,是衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量一項非常重要的指標,計算公式見式(2).

(1)

(2)

2 TEQC及RTKLIB簡介

2.1 TEQC及輔助繪圖軟件QCVIEW

TEQC(Translation Editing and Quality Checking)是目前國際公認和廣泛應(yīng)用的GPS觀測數(shù)據(jù)預處理軟件,可以免費下載,主要有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢測三大功能[9].數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(QC)是TEQC的核心功能,但只能對RINEX2.11或更早版本的GPS/GLONASS的觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析,不能對BDS/GALILEO的觀測數(shù)據(jù)進行分析,且運行于Unix、Linux、MacOS 以及Windows的DOS等系統(tǒng)界面中,操作不方便、交互性差,需借助第三方軟件(QCVIEW、CF2PS和QC2SKY等)來完成繪圖.針對以上TEQC軟件的不足,國內(nèi)眾多的專家學者以及用戶對其進行了研究和改進[10].

TEQC用于數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測有qc2lite和qc2full兩種方式.qc2lite方式僅對RINEX格式的觀測數(shù)據(jù)文件(o文件)進行檢測;qc2full 方式包含RINEX格式的觀測數(shù)據(jù)文件(o文件)和導航數(shù)據(jù)文件(n文件).本文采用第二種檢核方式,如將JC023240.16o文件和JC023240.16n文件置于同一目錄下,在DOS環(huán)境下運行:>teqc+qc JC023240.16o,將會生成以下9個文件.如表1所示.

檢核結(jié)果統(tǒng)計摘要(**.16s)文件是質(zhì)量檢查結(jié)果的核心部分,觀測人員主要通過該文件來分析和評估GPS觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量.

表1 TEQC質(zhì)量檢核生成的文件及含義

QCVIEW或QCVIEW32輔助繪圖軟件運行于DOS環(huán)境.以Win7操作系統(tǒng)為例,安裝DOSBox0.74模擬器后,將DOS4GW.EXE、QCVIEW連同檢查生成的文件置于同一目錄下,可繪制生成(s文件除外) 8個文件的可視化圖形,但不能對衛(wèi)星可見性、衛(wèi)星天空視圖、DOP值進行繪圖和點位定位精度分析.如要生成JC023240.mp1文件的繪圖,則在DOS界面下執(zhí)行:>QCVIEW32 JC023240.mp1命令,便可生成多路徑效應(yīng)MP1的圖形.

2.2 RTKLIB軟件

RTKLIB是日本東京海洋大學高須知二開發(fā)的開源程序包,由一個便攜式程序庫和多個應(yīng)用程序工具庫組成,支持多個GNSS系統(tǒng)的標準和精密定位算法以及多種GNSS標準格式和協(xié)議等[11-12].目前RTKLIB軟件的最新版本為V2.4.3,其所有源代碼公開、便于學習研究和算法測試,界面友好、操作簡潔、圖形輸出功能強大.

本文主要介紹RTKLIB軟件在GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析方面的功能.執(zhí)行程序中的rtklaunch.exe 應(yīng)用程序啟動器,生成如圖2的界面.

運行“bin tkplot.exe”觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及可視化應(yīng)用程序,導入GNSS觀測文件(o文件)和導航文件(n文件),即可完成對觀測數(shù)據(jù)的檢查、定位精度分析、衛(wèi)星可見性、衛(wèi)星天空視圖、DOP值、多路徑效應(yīng)及衛(wèi)星高度角進行圖形化顯示,但不能對衛(wèi)星方位角(**.azi)、電離層延遲誤差(**.ion) 和電離層延遲變化率(**. iod)進行繪圖.

3 實例驗證及對比分析

文獻[13]利用TEQC和RTKLIB軟件對某地區(qū)監(jiān)測點的GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標MP1、MP2和o/slps進行了統(tǒng)計,繪制并分析了點位定位精度、衛(wèi)星可見性、衛(wèi)星天空視圖、DOP值、多路徑效應(yīng)等,但未統(tǒng)計觀測數(shù)據(jù)利用率以及對二者的檢核結(jié)果、繪圖方面未做進一步的分析與對比.

本文圍繞2016年某工程實測GPS觀測數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)格式為RINEX2.10,觀測數(shù)據(jù)和導航數(shù)據(jù)為JC023240.16o、JC023240.16n.依據(jù)前文所述,對TEQC及其繪圖軟件QCVIEW32同RTKLIB軟件在4項核心評價指標、繪圖功能方面做一對比分析.

3.1 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標結(jié)果對比

為做全面的對比分析,TEQC按 qc2full 方式輸入命令:c: eqc>teqc+qc JC023240.16o,得到表1所示的9 個文件和4個評價指標值,如圖3所示.更為詳細的觀測信息和檢核結(jié)果可從結(jié)果統(tǒng)計摘要文件JC023240.16s中獲取,如圖4所示.

在RTKLIB軟件中運行rtkplot.exe應(yīng)用程序,打開觀測數(shù)據(jù)文件JC023240.16o、和導航文件JC023240.16n,進入菜單 “Edit”并單擊“Obs Data QC…”,則檢核結(jié)果如圖5所示.

由圖3、圖4和圖5可知,二者的4個評價指標結(jié)果完全一致.觀測數(shù)據(jù)利用率為87%,周跳比為808、CRS=1.24,MP1=0.32 m、MP2=0.34 m.該結(jié)果符合IGS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測統(tǒng)計結(jié)果: 超過半數(shù)的 IGS站的CRS年平均值小于5,2/3以上的CRS平均值在10 以下;2/3 的IGS站的MP1平均值小于0.5 m,而2/3的MP2平均值小于0.75 m.同時符合《中國地殼運動觀測技術(shù)規(guī)程》規(guī)定:“對基準站高度角在 10°以上的觀測量中有效觀測量應(yīng)不小于85%,測距觀測質(zhì)量MP1和MP2應(yīng)小于0.5 m”;“區(qū)域站有效時段數(shù)據(jù)的有效率不低于 80%”.參照以上標準,說明該測站“JC02”觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量良好可用.

3.2 QCVIEW32同RTKPLOT繪圖結(jié)果對比

如前文所述,QCVIEW32可繪制生成(s文件除外) 8個文件的可視化圖形,無衛(wèi)星可見性、衛(wèi)星天空視圖、DOP值圖和定位精度分析;而RTKPLOT不能對電離層延遲誤差、電離層延遲變化率和衛(wèi)星方位角進行繪圖.因此,限于篇幅,這里給出其生成的電離層延遲誤差圖、多路徑效應(yīng)MP2圖;給出RTKPLOT生成的多路徑效應(yīng)MP2圖、衛(wèi)星可見性、衛(wèi)星天空視圖、DOP值圖和定位誤差圖.并據(jù)此對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、觀測環(huán)境等做進一步的分析.

1) QCVIEW32生成電離層延遲誤差和多路徑效應(yīng)MP2圖.如圖6、圖7所示.

由圖6可知,點位JC02在觀測歷元500和600～700、1100～1200內(nèi),電離層延遲誤差發(fā)生了較大的變化.

2) RTKPLOT生成的多路徑效應(yīng)MP2、信噪比、衛(wèi)星高度角圖.如圖8所示.

對比圖7、圖8可看出,二者MP2繪圖效果一樣,均反映出多路徑效應(yīng)MP2呈波浪式推進,其值在2 m范圍內(nèi)波動,個別時間內(nèi)發(fā)生較大變化,但均值符合規(guī)范要求;衛(wèi)星高度角整體在15°以上,說明測站周圍遮擋物少.

3) RTKPLOT生成的衛(wèi)星可見性、衛(wèi)星天空視圖、DOP值圖和定位誤差圖.如圖9、圖10、圖11和圖12所示.

由圖9、圖10可看出,點位JC02在觀測時段內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)達到了17顆,共視衛(wèi)星數(shù)量均在6顆以上,高度角均在15°以上;除衛(wèi)星G05、G06和G30在點位東部接收信號較差外(圖10中虛線表示衛(wèi)星失鎖),大部分接收衛(wèi)星信號良好.

由圖11可知,幾何精度衰減因子(GDOP)、位置精度衰減因子(PDOP)分別為3.1 mm和2.6 mm,在極少數(shù)時間段內(nèi)存在突變情況,個別時間段內(nèi)誤差較大;垂直精度衰減因子(VDOP)為2.3 mm,同樣在個別時間段內(nèi)誤差較大;水平精度衰減因子(HDOP)為1.2 mm,大部分時間段內(nèi)在2.0 mm浮動,低于其它精度因子值.

由圖12可知,點位JC02的定位位置隨時間變化,三維坐標分量誤差AVE為±0.0000 m.各方向的標準差(STD)和RMS兩個指標可以反映坐標三維分量的觀測精度,其中東西方向誤差最小,垂直方向誤差最大.

4 結(jié)束語

綜上所述,TEQC和RTKLIB軟件在GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核方面的功能各有優(yōu)勢和不足.為對GPS觀測數(shù)據(jù)進行全面、直觀地分析,實際工作中可將二者結(jié)合起來應(yīng)用.此外,隨著多衛(wèi)星導航系統(tǒng)，特別是我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的快速發(fā)展,現(xiàn)有的GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測和分析軟件難以滿足實際應(yīng)用的需求,急需開發(fā)一款兼容性強、界面友好、功能齊全、結(jié)果可靠以及可擴展的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件,為GNSS的應(yīng)用發(fā)展提供技術(shù)支撐.