湯偉堯

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，空間信息技術(shù)更是朝著多元化、實(shí)用化的方向不斷發(fā)展。關(guān)于海量空間信息的獲取手段，目前發(fā)展較為成熟的系統(tǒng)包括我國(guó)已基本建設(shè)完成的北斗全球定位系統(tǒng)(BDS)、美國(guó)GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS以及歐盟GALILEO系統(tǒng)。這些GNSS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)都為用戶提供了海量、高精度、高分辨率的時(shí)空信息，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。其中，在鐵路建設(shè)的勘察設(shè)計(jì)、施工運(yùn)營(yíng)等階段應(yīng)用較為廣泛。

關(guān)于多源海量空間位置信息，其全生命周期一般經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)處理與分析三個(gè)重要過(guò)程。其中，數(shù)據(jù)預(yù)處理至關(guān)重要(主要包括數(shù)據(jù)編輯、加工和整理)。預(yù)處理工作是否完善，對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)平差計(jì)算以及平差結(jié)果的精度將產(chǎn)生重要的影響[1]。目前，鐵路工程測(cè)量中出現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的情況一般都返工重測(cè)，而對(duì)如何提高其利用率的探討研究較少。以下將研究利用預(yù)處理軟件TEQC的強(qiáng)大功能，探討并分析測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)短暫信號(hào)丟失情況時(shí)如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，從而避免返工重測(cè)，提高生產(chǎn)效率。

1 TEQC功能介紹

TEQC是UNAVCO Facility組織開發(fā)的用于GNSS觀測(cè)信息預(yù)處理的軟件[2]，相較于其他預(yù)處理軟件，其功能較多，使用命令簡(jiǎn)單易懂，既可以檢核分析雙頻接收機(jī)的靜態(tài)觀測(cè)信息，也可以用于研究動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量。其原理主要是利用GNSS觀測(cè)信息的偽距和載波相位信息進(jìn)行線性組合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GNSS數(shù)據(jù)的誤差估計(jì)[3]。TEQC主要功能包括：格式轉(zhuǎn)換(Translate)、數(shù)據(jù)編輯(Edit)、質(zhì)量檢核(Quality Check)和單點(diǎn)定位(Coordinate)[4]。以下主要研究TEQC的數(shù)據(jù)編輯和質(zhì)量檢核功能。

1.1 質(zhì)量檢核

質(zhì)量檢核一般有l(wèi)ite模式和full模式(常用模式為full)。full模式：需要o文件和n文件，命令為teqc+qc -nav source. *.*n source.*.*o，執(zhí)行后文件夾里將產(chǎn)生9個(gè)文件。其中*.*S是分析結(jié)果匯總文件；*.ion是L1/L2電離層延遲；*.iod是電離層延遲的變化率；*.mp1是L1載波上的碼信息多路徑觀測(cè)誤差；*.mp2是L2載波上的p碼多路徑觀測(cè)誤差；*.sn1是L1觀測(cè)值的信噪比；*.sn2是L2觀測(cè)值的信噪比；*.ele是衛(wèi)星高度角；*.azi是衛(wèi)星方位角。

對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析主要包括四點(diǎn)。

(1)數(shù)據(jù)完整性：數(shù)據(jù)完整性代表了實(shí)際觀測(cè)歷元和理論預(yù)計(jì)歷元的比值(possible obs/complete obs)，也就是預(yù)期歷元數(shù)和實(shí)際歷元數(shù)的比值。

(2)多路徑誤差分析：MP1和MP2主要用于分析GNSS接收機(jī)周圍環(huán)境是否造成多路徑效應(yīng)，進(jìn)而評(píng)價(jià)觀測(cè)環(huán)境的質(zhì)量。其計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

上式中，P1和P2分別代表L1和L2載波上的測(cè)距碼；φ1和φ2顯示載波相位觀測(cè)值；M1和M2是雙頻偽距的多路徑效應(yīng)；m1和m2是雙頻載波相位的多路徑效應(yīng)；n1和n2是整周模糊度；f1和f2是頻率；λ1和λ2是波長(zhǎng)；假如沒(méi)有產(chǎn)生周跳，B1和B2是常量，m1、m2遠(yuǎn)小于M1和M2；α是L1、L2波段頻率之比的平方。

(3)信噪比(SNR)：信噪比主要用于分析接收信息與高度角變化的關(guān)系，還可以分析評(píng)價(jià)接收機(jī)對(duì)高度角較低衛(wèi)星信號(hào)的追蹤接收能力。

(4)觀測(cè)歷元數(shù)與周跳數(shù)的比值(o/slps)：經(jīng)常用CRS=1 000(o/slps)表示。

(5)電離層延遲微分周跳(IOD)：一般用這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量相位觀測(cè)值中是否存在周跳，如果IOD變化率大于400 cm/min，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，有

(6)

根據(jù)IGS跟蹤站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般要求MP1<0.5，MP2<0.75，o/slps>100[5]。

1.2 數(shù)據(jù)編輯

常見(jiàn)的合并功能應(yīng)用于將多日數(shù)據(jù)分割成單日文件，也可以將單時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，形成一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)文件。通過(guò)給定一個(gè)時(shí)間范圍，可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行該時(shí)間窗口的切割。例如：teqc-dm 20 source.**o > result.**o表示截取觀測(cè)文件最后20 min數(shù)據(jù)。如果合并兩個(gè)時(shí)間段的RINEX數(shù)據(jù)，可以使用teqc urum.135？.10o>urum.1350.10o。

2 TEQC工程應(yīng)用實(shí)例

以2019年8月3日某鐵路精密工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例。平面坐標(biāo)系采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，長(zhǎng)半軸為6 378 137，扁率為298.257 222 101。按照高斯窄帶投影的方法建立工程獨(dú)立坐標(biāo)系，滿足規(guī)范中投影變形不大于10 mm/km的要求[6-8]。本實(shí)驗(yàn)研究范圍中央子午線為103°，投影面大地高為2 610 m。截止衛(wèi)星高度角設(shè)置為15°，數(shù)據(jù)采樣率為15 s，PDOP小于等于6，觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度為120 min。其中， CPI57-1點(diǎn)在一個(gè)時(shí)段中陸續(xù)停電3次，測(cè)試具體概況如表1和表2所示。

表2 CPI57-1四個(gè)時(shí)段概況

表1 CPI57-1四個(gè)時(shí)段數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核

執(zhí)行teqc+qc -nav CPI02150.19o CPI02150.19n，得到每一時(shí)段的匯總報(bào)告文件。其中包含的參數(shù)信息有每顆衛(wèi)星的接收數(shù)據(jù)情況、觀測(cè)時(shí)間、首歷元、末歷元、MP1(L1載波的多路徑影響)、MP2(L2載波的多路徑影響)、SN1(L1載波的信噪比)、SN2(L2載波的信噪比)、IOD(電離層延遲變化率)、ION(電離層延遲誤差)、AZI(方位角)、ELE(衛(wèi)星高度角)。由表1可以看出，四個(gè)時(shí)段的衛(wèi)星數(shù)都多于10顆，觀測(cè)條件良好；根據(jù)一般性原則，重點(diǎn)關(guān)注MP1和MP2，如果其值分別小于0.35和0.45，說(shuō)明站點(diǎn)周圍的多路徑影響效應(yīng)較弱[9-12]，本研究中的MP1和MP2遠(yuǎn)小于限差值，數(shù)據(jù)有效率都在90%以上，說(shuō)明多路徑、遮擋以及電磁干擾等影響非常小。

由表2可以看出， CPI57-1點(diǎn)第一時(shí)段和第二時(shí)段相差只有11 s，由于靜態(tài)測(cè)量中設(shè)置的采樣率為15 s，所以斷電小于15 s的情況下觀測(cè)數(shù)據(jù)的損失很小。第二時(shí)段和第三時(shí)段間斷42 s，丟失3個(gè)歷元的數(shù)據(jù)，其影響也相對(duì)較小。第三個(gè)時(shí)段和第四個(gè)時(shí)段間斷時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)(共有3 min57 s的間斷時(shí)間)，相對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)損失較多。鑒于觀測(cè)過(guò)程中間斷時(shí)間短暫，采樣率、儀器高等參數(shù)不變，故利用TEQC的文件合并功能，執(zhí)行teqc file1 file2>myfile，將以上四個(gè)時(shí)段數(shù)據(jù)合并為一個(gè)文件。

為了研究合并后數(shù)據(jù)的可用性，將CPI57-1點(diǎn)與其他點(diǎn)組成基線，并且同步觀測(cè)6次，以進(jìn)行對(duì)比分析。觀測(cè)數(shù)據(jù)的基線解算采用徠卡隨機(jī)商用軟件LGO8.4。重復(fù)基線、閉合環(huán)檢驗(yàn)、整網(wǎng)平差計(jì)算利用武漢大學(xué)研制的COSAGPS軟件。圖1為CPI57-1與其他點(diǎn)位的位置分布。

圖1 CPI57-1與其他點(diǎn)位位置關(guān)系

2.1 異步環(huán)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)工程測(cè)量規(guī)范及要求，外業(yè)觀測(cè)結(jié)束后，首先對(duì)基線進(jìn)行處理和質(zhì)量分析，然后對(duì)重復(fù)基線、環(huán)閉合差進(jìn)行檢驗(yàn)，獨(dú)立觀測(cè)過(guò)程中的異步環(huán)坐標(biāo)分量也要符合相關(guān)規(guī)范中的技術(shù)指標(biāo)[8]，如表3所示。

表3 基線向量環(huán)閉合差限差

對(duì)6次獨(dú)立平差的基線向量網(wǎng)獨(dú)立環(huán)閉合差進(jìn)行計(jì)算，其獨(dú)立環(huán)最大閉合差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 閉合環(huán)最大閉合差 mm

由表4可以看出，與CPI57-1組成的基線向量網(wǎng)中，各獨(dú)立環(huán)的最大閉合差在X、Y、Z以及基線長(zhǎng)度分量上都能滿足限差要求，說(shuō)明合并后的數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較好。

2.2 重復(fù)基線較差統(tǒng)計(jì)

表5 重復(fù)基線最大較差 mm

2.3 三維自由網(wǎng)平差

圖2 同一組基線不同時(shí)段三維基線向量殘差對(duì)比

由圖2可以看出， CPI57-1參與構(gòu)成的基線向量6個(gè)時(shí)段的基線向量殘差互差都比較小。其中，CPI57-1—CPI57-2規(guī)范要求限差為1.51 cm，CPI57-1—CPI57-3限差為11.51 cm，CPI57-1—CPI059限差為5.6 cm，CPI57-1—CPI060限差為5.79 cm。與CPI57-1有關(guān)的三維基線向量殘差都小于限差。

2.4 二維約束平差

選擇相同的起算點(diǎn)，得到6個(gè)時(shí)段CPI57-1的二維約束平差值，如表6和圖3所示。

表6 不同時(shí)段二維約束平差坐標(biāo) m

圖3 不同時(shí)段二維約束成果對(duì)比

由表6和圖3可知，將6個(gè)時(shí)段聯(lián)合平差的結(jié)果作為參考值，將每個(gè)時(shí)段的二維約束平差值與其進(jìn)行對(duì)比，可以看出第一時(shí)段和第四時(shí)段解得的CPI57-1坐標(biāo)差相對(duì)較大。由于第一時(shí)段的數(shù)據(jù)為多個(gè)斷開時(shí)段合并的數(shù)據(jù)，多余觀測(cè)較少，且第一時(shí)段觀測(cè)過(guò)程中該點(diǎn)位周邊車輛和人員來(lái)往較密集，致使觀測(cè)點(diǎn)位穩(wěn)定性較差，故第一時(shí)段CPI57-1點(diǎn)位精度較差。第四時(shí)段可能是由于數(shù)據(jù)采集過(guò)程中多路徑影響或者衛(wèi)星星況較差造成的：在該區(qū)域內(nèi)，18:00～19:00時(shí)間段內(nèi)PDOP值較大，鎖星情況不好。此外，在聯(lián)合平差時(shí),若將6個(gè)時(shí)段數(shù)據(jù)同時(shí)平差，可能會(huì)將觀測(cè)時(shí)段不好的數(shù)據(jù)引入，造成第一和第四時(shí)段相對(duì)精度較低。由于每個(gè)時(shí)段解算的數(shù)據(jù)都是單時(shí)段，所以多余觀測(cè)較少，精度較弱，但是整體來(lái)看，TEQC合并后的數(shù)據(jù)延長(zhǎng)了同步觀測(cè)時(shí)間，優(yōu)化了觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，解算的點(diǎn)位坐標(biāo)精度能夠滿足工程測(cè)量的要求。

3 結(jié)論

基于TEQC軟件強(qiáng)大的質(zhì)量檢核和數(shù)據(jù)編輯功能，對(duì)GNSS接收機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中由于各種復(fù)雜原因出現(xiàn)的短暫數(shù)據(jù)丟失情況進(jìn)行后處理。對(duì)比分析表明，經(jīng)TEQC處理后的數(shù)據(jù)能夠延長(zhǎng)同步觀測(cè)時(shí)間，滿足工程測(cè)量基線解算要求，解算的基線和平差后的點(diǎn)位精度符合鐵路工程測(cè)量的要求，不僅可以避免不必要的返工測(cè)量，提高工程測(cè)量的效率，節(jié)約成本，而且對(duì)于優(yōu)化基線解算和網(wǎng)平差也有著重要的意義。