盧立果,吳彬,趙寶貴,胡偉建,徐兆祥,陳榮清

(1. 東華理工大學 測繪工程學院,江西 南昌 330013; 2. 西安測繪研究所, 陜西 西安 710054; 3. 地理信息工程國家重點實驗室, 陜西 西安 710054; 4. 長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院, 湖南 長沙 410000)

0 引 言

觀測值數(shù)據(jù)質(zhì)量是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)定位精度和可靠性的重要保證,因此如何從觀測數(shù)據(jù)中去除一些質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)成為提高衛(wèi)星定位精度的首要考慮問題[1-2]．出于數(shù)據(jù)優(yōu)化的目的,需要運用GNSS數(shù)據(jù)預處理軟件對衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行分析和處理．在全球眾多款數(shù)據(jù)預處理軟件中,主流用于衛(wèi)星導航系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進行編輯和質(zhì)量檢查的是一款由UNAVCO Facility 開發(fā)的TEQC軟件．其中,數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查功能是TEQC軟件的核心部分,可用于檢查接收機的動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量[3-6]．

利用TEQC軟件對衛(wèi)星靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行完整模式的質(zhì)量檢查,在完成數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核操作后,存在TEQC軟件生成的繪圖結(jié)果文件僅能以文本文件形式輸出的問題[7]．以往通常借助QCVIEW[8]、CF2PS[9]、QC2SKY[10]這三款國際上公開的軟件進行可視化,但隨著TEQC軟件版本的更新,原有公開軟件已無法處理新生成的compact 3格式的繪圖結(jié)果文件．鑒于此,本文基于MATLAB GUI對TEQC繪圖工具進行再設(shè)計,開發(fā)了一套適用于compact 3結(jié)果文件的可視化界面軟件,實現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化分析．

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量預處理

1.1 格式轉(zhuǎn)換

TEQC預處理軟件暫時僅能處理RINEX 2.11以下格式GNSS觀測數(shù)據(jù)、導航數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),而現(xiàn)今國際上已推廣使用新的標準文件格式——RINEX 3.X,并且有些原始數(shù)據(jù)(如BDS數(shù)據(jù))并不能被接收機的隨機軟件直接轉(zhuǎn)換成RINEX 2格式,所以針對RENEX 3以上格式數(shù)據(jù),本文則采用GFZRNX軟件對數(shù)據(jù)文件格式進行轉(zhuǎn)換．

GFZRNX可以幫助用戶實現(xiàn)RINEX 2與3版本格式之間的轉(zhuǎn)換．使用GFZRNX程序格式轉(zhuǎn)換功能時, 只需在操作命令中使用-vo 參數(shù)． 其輸入值被限制為2或3, 代表輸出數(shù)據(jù)的RINEX格式版本[11]．

以HKLM站點于2019年2月1日的觀測數(shù)據(jù)為例,其原始數(shù)據(jù)為RINEX 3.02．下面的命令將其格式轉(zhuǎn)化為RINEX 2:

gfzrnx -finp hklm0320.19o -vo 2> hklm0321. 19o

轉(zhuǎn)化廣播星歷文件:

gfzrnx -finp hklm0320.19n -vo 2> hklm0321. 19n

轉(zhuǎn)換氣象數(shù)據(jù)文件:

gfzrnx -finp hklm0320.19m -vo 2> hklm0321. 19m

1.2 質(zhì)量檢核

使用TEQC程序的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核功能需在執(zhí)行命令行中添加一個+qc參數(shù)．TEQC的質(zhì)量分析模式分為兩種——完整模式(full)和輕量模式(lite),在使用完整模式的質(zhì)量檢查時,需引入同時段(或相近時段)的衛(wèi)星星歷文件．若需要其他質(zhì)量輸出文件,可以在執(zhí)行質(zhì)量檢查時再添加一個+plot參數(shù)加在+qc后面[12]．例如,下面的命令將檢查HKLM測站在2019年2月1日的觀測文件,其星歷文件使用hklm0320.19n和hklm0320.19g:

teqc+qc+plot -nav hklm0320.19n hklm0320.19g hklm0321. 19o

若觀測文件所在目錄中存在相同測站的星歷文件時,-nav參數(shù)可以省略:

teqc+qc+plot hklm0320.19o

此時,TEQC程序?qū)z查當前目錄或觀測文件所在目錄下是否存在與測站同名的導航文件:hklm0320.19n或hklm0320.19g(當包含GLONASS衛(wèi)星的觀測值時)．若可以找到該文件,則采用full模式進行質(zhì)量檢查,否則采用lite模式．

需要說明的是,新版本的TEQC增加了對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查功能,用戶若要處理BDS數(shù)據(jù),需要在TEQC程序下添加+relax 或+extend 參數(shù)．

在full模式下質(zhì)量檢核的結(jié)果為至少8個繪圖結(jié)果文件和1個質(zhì)量匯總文件．對于質(zhì)量匯總文件****.S,多路徑觀測誤差、電離層延遲誤差、電離層延遲變化率,以及接收機信號的抖動、L1和L2載波的周跳、衛(wèi)星的高度角和方位角、信噪比等參數(shù)均輸出在S文件中[13-14]．通常,結(jié)合這些參數(shù)能夠充分快速評定所觀測點位置的定位數(shù)據(jù)質(zhì)量．部分結(jié)果文件類型說明如表1所示．

2 繪圖文件格式分析

伴隨TEQC軟件質(zhì)量檢核模塊不斷更新以及衛(wèi)星信號頻率不斷增加,質(zhì)量檢核后生成的繪圖結(jié)果文件類型發(fā)生了變化,其數(shù)據(jù)格式也與之前有所不同,從原來的compact格式轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的compact 3 格式．表2示出了不同數(shù)據(jù)壓縮格式繪圖文件頭的差異.

表2 繪圖文件頭的差異性

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，compact 3格式的第一行沒有改變,但第三行的內(nèi)容較compact 2有明顯的區(qū)別[15]．compact 3格式主要是把起始歷元時間前置,并將時間間隔與衛(wèi)星號置放于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的模塊中,可容易識別出任一衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)位置．

3 TEQCplot View的軟件設(shè)計

由于TEQC分析得到的結(jié)果文件無法可視化,難以滿足實際應用的需求,因此需要相應的可視化軟件實現(xiàn)結(jié)果文件的可視化[15-16]．QCVIEW等軟件雖然可以實現(xiàn)繪圖功能,但只能對compact格式文件進行繪圖,無法滿足對新版TEQC軟件生成的compact 3格式結(jié)果文件繪圖的需求．因此,本文基于MATLAB GUI開發(fā)了一套適用于compact 3結(jié)果文件的可視化界面軟件(TEQCplot View)．圖1為TEQCplot View軟件功能結(jié)構(gòu)圖．

圖1 TEQCplot View軟件功能結(jié)構(gòu)圖

繪圖模塊分為兩個部分:第一部分是單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化;第二部分是多系統(tǒng)色帶圖繪制．

第一部分是基于單衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)開發(fā)的,所以在進行衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核操作之前需調(diào)用TEQC進行保留單星座數(shù)據(jù)的預處理．單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化模塊有統(tǒng)計衛(wèi)星顆數(shù)的功能,對衛(wèi)星號從小到大排序,幫助用戶快速實現(xiàn)對想要分析衛(wèi)星號的尋找,簡化操作以便捷實現(xiàn)對電離層延遲、電離層延遲變化率、多路徑效應和信噪比等參數(shù)結(jié)果文件的繪圖分析;并增加了參數(shù)與高度角的相關(guān)分析圖,可以直觀地反映參數(shù)數(shù)值隨衛(wèi)星高度角的變化,以滿足用戶對結(jié)果文件更多的分析需求．圖2為單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化界面圖．

圖2 單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化界面

第二部分中,用戶可以選擇單系統(tǒng)或多系統(tǒng)繪圖結(jié)果文件,該模塊將對文件數(shù)據(jù)信息進行讀取并繪圖,包括高度角、方位角、電離層延遲變化率、多路徑、信噪比等時間序列色帶圖．通過對參數(shù)值大小按色帶顏色的漸變進行劃分,用戶可以清楚地看出參數(shù)值的變化情況,并評判各衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞,進而判斷是否剔除該星的數(shù)據(jù),從而保證基線解算和網(wǎng)平差時能夠使用質(zhì)量良好的觀測數(shù)據(jù)．

4 TEQCplot View的軟件性能測試

在TEQCplot View軟件性能分析中,本文利用TEQC質(zhì)量檢核所得結(jié)果文件對繪圖模塊兩個部分分別進行可視化功能測試．

4.1 單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化功能測試

第一部分中包含一個子模塊——單星座多衛(wèi)星綜合圖,多衛(wèi)星綜合可視化模塊主要是針對單系統(tǒng)的整體分析,反映單系統(tǒng)對相應位置的一個總體數(shù)據(jù)質(zhì)量情況．以HKLM測站2019年2月10日GPS觀測數(shù)據(jù)為例,圖3為單星座多衛(wèi)星綜合質(zhì)量分析圖．

圖3 單星座多衛(wèi)星綜合質(zhì)量分析圖

在繪制的多衛(wèi)星綜合圖線條過于密集的情況下,本軟件對各衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的細節(jié)分析無法進行,所以第一部分主要對單衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析．選取2019年2月10日G27號衛(wèi)星m21、sn5結(jié)果如圖4、5所示.

從圖4和圖5上可查驗在各個時間多路徑效應值和信噪比值的大小,同時可得到“多路徑與衛(wèi)星高度角有關(guān),衛(wèi)星高度角越高,多路徑效應影響越小”以及“信噪比與高度角成正相關(guān)”的結(jié)論[17-18]．

下面分別導出G27號衛(wèi)星m21、sn5時間序列細部圖．圖6是G27號衛(wèi)星L2頻段多路徑誤差時間序列圖,圖7是G27號衛(wèi)星L5頻段信噪比時間序列圖．其中X軸表示所對應衛(wèi)星觀測時間序列,Y軸表示隨時間變化相應指標參數(shù)值大?。?/p>

圖4 G27衛(wèi)星L2頻段多路徑效應分析圖

圖5 G27衛(wèi)星L5頻段信噪比分析圖

圖6 G27衛(wèi)星m21時間序列圖

圖7 G27衛(wèi)星sn5時間序列圖

通過對圖6的分析,可以發(fā)現(xiàn)在5：45—7：00和10：45—12：00這兩個時段的多路徑效應不穩(wěn)定,多路徑誤差值多數(shù)大于0.65 m,尤其在6：00左右L2頻段多路徑誤差值達到最大,接近3 m．因此,可以利用RINEX文件切割功能,將G27號衛(wèi)星多路徑效應嚴重的時段刪除,以改善觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量．通過對圖7的分析,可以看出從6：00—11：30時段L5頻段信噪比值多數(shù)大于40 dB,且最高可達56 dB,說明目標位置觀測條件良好,遮擋較少,接收機接收到的G27號衛(wèi)星信號較強．

4.2 多系統(tǒng)色帶圖繪制功能測試

選取HKLM測站2019年2月7日BDS觀測數(shù)據(jù),圖8和圖9為衛(wèi)星高度角、方位角變化圖．通過圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn),TEQCplot View繪制的色帶圖可以直觀地看出任意時刻的所有可見衛(wèi)星,反映數(shù)據(jù)完整率信息;同時還可知道任一衛(wèi)星隨時間變化的方位角和高度角情況．由圖8分析可知,C12號、C26號衛(wèi)星觀測時間較短,其數(shù)據(jù)可用性較差,將會使得數(shù)據(jù)完整率降低;此外,雖然C20號和C28號衛(wèi)星觀測時間相對較長,但C20號衛(wèi)星在07:30—11:00的觀測時段以及C28號衛(wèi)星在00:00—03:00的觀測時段所處的高度角均低于10°,說明上述兩顆衛(wèi)星的觀測條件不佳．因此,在以上分析的基礎(chǔ)上,對BDS觀測文件進行TEQC編輯處理．首先將HKLM測站上的C12號、C20號、C26號和C28號衛(wèi)星的觀測值和導航信息刪除,輸入指令:>teqc+extend-C12,20,26,28 hklm0382.19o> hklm0383.19o及>teqc-C12,20,26,28 hklm0382.19c> hklm0383.19c;然后對處理所生成的觀測文件hklm0383.19o重新進行full模式的質(zhì)量檢查,得到處理后衛(wèi)星高度角變化圖如圖10所示．從圖中可以看到,通過對TEQCplot View軟件生成的可視化結(jié)果進行判讀,起到了輔助TEQC軟件數(shù)據(jù)編輯功能的作用,從而改善了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的質(zhì)量．

圖8 衛(wèi)星高度角變化圖

圖9 衛(wèi)星方位角變化圖

圖10 處理后衛(wèi)星高度角變化圖

5 結(jié)束語

本文從導航衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的實際需求出發(fā),設(shè)計了一款針對TEQC結(jié)果文件更為方便的可視化軟件,實現(xiàn)了對衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的可視化展示．并通過對軟件的性能測試以及繪圖結(jié)果的分析,得到以下三點結(jié)論:

1) 實測數(shù)據(jù)驗證結(jié)果表明,TEQCplot View能夠較好地實現(xiàn)對TEQC 2013.3.15及以上版本生成的compact 3結(jié)果文件的繪圖功能,且操作簡單、界面簡潔直觀,可實現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化分析;

2) TEQCplot View可進行單系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化和多系統(tǒng)色帶圖繪制操作,結(jié)果文件圖形顯示功能豐富,能夠滿足用戶對不同結(jié)果文件的分析需求;

3) 對TEQCplot View軟件生成的可視化結(jié)果進行判讀可以有效地輔助TEQC軟件的數(shù)據(jù)編輯功能,例如RINEX文件的切割與合并功能、衛(wèi)星系統(tǒng)的選擇以及特定衛(wèi)星的禁用功能等,使得TEQC能在數(shù)據(jù)編輯時充分發(fā)揮其改善數(shù)據(jù)質(zhì)量的作用．