基于TEQC的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化表達(dá)與分析

張顯云，姚黔貴，張鵬飛，黃安信，張 俊

(1. 貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽550025； 2. 貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550003； 3. 貴州電力建設(shè)第二工程公司，貴州 貴陽 550002)

一、引 言

如何對GNSS原始觀測值質(zhì)量作出快速、準(zhǔn)確的評價，繼而剔除觀測質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)，為基線向量的解算提供較為“干凈”的數(shù)據(jù)源，成為高精度GNSS定位首先需解決的問題。TEQC可用于檢核雙頻接收機(jī)的動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量，利用偽距觀測值和載波相位觀測值的線形組合來進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)的誤差估計，在快速評定GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量方面有著非常大的優(yōu)勢：一方面速度快，沒有繁瑣的操作步驟，只用幾條簡單的命令即可；另一方面能對GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度全方位的質(zhì)量分析，分別從衛(wèi)星高度角、方位角、多路徑效應(yīng)、電離層延遲誤差、電離層延遲變化率、信噪比等方面反映GNSS觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并可借助第三方軟件(如QcView軟件)對檢核結(jié)果進(jìn)行可視化表達(dá)[1-4]。然而，TEQC不具備可視性，交互性差，且可視化分析需借助第三方軟件，這些均給實際操作帶來不便。此外，TEQC不能禁用單顆衛(wèi)星部分歷元質(zhì)量不高的觀測值，只能禁用全部觀測值，這對衛(wèi)星數(shù)較少的情況極為不利。筆者以Visual C#為開發(fā)平臺，采用Chart控件，開發(fā)可視化GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與預(yù)處理軟件，實現(xiàn)對TEQC核心功能的可視化封裝，并擴(kuò)展禁用單顆衛(wèi)星部分歷元觀測數(shù)據(jù)的功能。

二、軟件功能模塊設(shè)計及實現(xiàn)

TEQC能實現(xiàn)GNSS原始數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查與編輯等，鑒于大多數(shù)商用隨機(jī)軟件已具備格式轉(zhuǎn)換的動能，本文主要以TEQC的數(shù)據(jù)編輯和質(zhì)量檢查功能為封裝對象，開發(fā)基于TEQC的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及預(yù)處理軟件Chart-QC，其功能模塊主要包括：GNSS原始數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查結(jié)果的可視化表達(dá)和GNSS數(shù)據(jù)編輯。限于篇幅，本文僅以多路徑誤差為例，來闡述軟件的實現(xiàn)過程。

1. GNSS原始數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的實現(xiàn)

TEQC質(zhì)量檢查根據(jù)是否使用導(dǎo)航文件，分為qc2lite和qc2full兩種檢核方式。在缺省狀態(tài)下，qc2lite方式會生成質(zhì)量檢核摘要文件、電離層延遲誤差、電離層延遲變化率、L1和L2載波上P碼偽距的多路徑效應(yīng)(包括接收機(jī)噪聲)、L1和L2載波的信噪比。如使用了導(dǎo)航電文，則采用qc2full方式進(jìn)行質(zhì)量檢查，它除生成qc2lite方式下的所有文件外，還將產(chǎn)生衛(wèi)星和接收機(jī)天線的位置信息，以及方位角和高度角兩個數(shù)據(jù)文件。

TEQC實質(zhì)上是一個可執(zhí)行文件(exe文件)，通過設(shè)置不同的參數(shù)，在DOS環(huán)境下可完成TEQC的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)編輯、單點定位等功能。Chart-QC軟件則采用進(jìn)程Process類調(diào)用TEQC命令，對TEQC功能進(jìn)行封裝，后臺完成GNSS數(shù)據(jù)的檢查，從而避免了中間諸多的步驟與設(shè)置。質(zhì)量檢查部分代碼如下[5]

private void QCheck(string filename)

{

Process myprocess=new Process():∥定義進(jìn)程Process類對象

string path=Application.Startup Path;

path=path.Remove(path.LastIndexOf("\"))；

path=path.Remove(path.LastIndexOf("\"))；

path=path+"\"+"teqe.exe"；∥TEQC路徑及TEQC命令

myprocess.StartInfo.filename=path;∥可執(zhí)行程序文件名

myprocess.StartInfo.Argument="+qc"+""+filenme;∥TEQC參數(shù)設(shè)置

myprocess.StartInfo.CreateNoWindow=true；∥不顯示DOS窗口

myprocess.StartInfo.UseShellExecute=false；∥不使用系統(tǒng)外殼程序啟動

try

{

myprocess.Start()；∥啟動進(jìn)程

myprocess.WaitForExit()；∥等待檢查執(zhí)行結(jié)果

}

catch(Exception ex)

{

MessageBox.Show("執(zhí)行失敗，"+"失敗的原因："+ex.ToString())；

}

finally

{

myprocess.Close()；∥關(guān)閉進(jìn)程

myprocess.Dispose；∥釋放系統(tǒng)資源

}

}

代碼中質(zhì)量檢查參數(shù)是按qc2lite方式進(jìn)行設(shè)置的，經(jīng)驗證知：只要導(dǎo)航文件與觀測值文件位于同一目錄下，質(zhì)量檢查同樣按qc2full方式進(jìn)行。

Chart-QC軟件界面如圖1所示。

圖1 Chart-QC軟件界面

2. 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核結(jié)果的可視化表達(dá)

數(shù)據(jù)檢核的目的是為了評價觀測值文件的質(zhì)量，以便對其進(jìn)行編輯，刪除質(zhì)量不高的部分觀測值。為了便捷、直觀地分析觀測值的質(zhì)量，需將各種檢核結(jié)果文件繪制成圖像。Chart-QC軟件采用微軟Chart控件來實現(xiàn)對分析結(jié)果的可視化表達(dá)。下面以多路徑效應(yīng)檢核文件為例，闡述Chart控件圖像繪制的實現(xiàn)過程。

(1) 多路徑效應(yīng)文件結(jié)構(gòu)解析

在繪制圖像前，首先需對文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，以便對文件進(jìn)行讀取。多路徑效應(yīng)文件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多路徑效應(yīng)文件結(jié)構(gòu)圖

多路徑效應(yīng)文件與其他檢核結(jié)果文件結(jié)構(gòu)相同，文件頭部分含義一樣。圖2中，“SVS”表示衛(wèi)星及編號；“T_SAMP”表示采樣間隔，以秒為單位，本例中為5 s；“START_TIME_MJD”表示觀測值文件中第一個觀測記錄的時刻，為修正的儒略日期；衛(wèi)星標(biāo)識“9 01 07 08 11 17 19 20 28 32”中，第一個數(shù)字“9”表示觀測并記錄了9顆衛(wèi)星，其余數(shù)字表示記錄的衛(wèi)星編號，一般只有在觀測衛(wèi)星或總的觀測衛(wèi)星數(shù)發(fā)生變化時，文件中才會重新標(biāo)識此信息；衛(wèi)星標(biāo)識下一行為多路徑效應(yīng)，一顆衛(wèi)星一個歷元對應(yīng)一個值。

(2)多路徑效應(yīng)的可視化表達(dá)

為直觀表達(dá)觀測值質(zhì)量，需對衛(wèi)星各歷元的多路徑效應(yīng)、信噪比、衛(wèi)星高度角和方位角、電離層誤差進(jìn)行讀取，并計算對應(yīng)的歷元時刻。鑒于每個觀測值文件中記錄每顆衛(wèi)星的檢測結(jié)果均包括以上元素，歷元時刻可根據(jù)衛(wèi)星是否記錄進(jìn)行推算。因此，可定義一個衛(wèi)星類(Satellite類)，并采用索引的方式，獲取類中相關(guān)字段的值。Satellite類結(jié)構(gòu)如下[6]

class Satellite

{

public float Mp1;∥P1 多路徑效應(yīng)

public float Mp2;∥P2 多路徑效應(yīng)

.........................................................

public static Int32[] SatNo:∥觀測衛(wèi)星編號

∥構(gòu)造函數(shù)

public Satellite(float a,float b,float c,float d,float e,float f,float g,float h,float t)

{

Mp1=a；

Mp2=b；

.........................................................

}

∥類索引

public float this [int index]

{

get

{

switch(index)

{

case 0:return Mp1;

case 1:return Mp2;

.....................................................

default:

throw new IndexOutOfRangeException("下標(biāo)越界!");

}

}

set

{

switch(index)

{

cass 0:Mp1=value;break;

cass 1:Mp2=value;break;

......................................................

default

throw new IndexOutOfRangeException("下標(biāo)越界！")；

}

}

}

}

為方便獲取各衛(wèi)星的相關(guān)信息，并顧及每顆衛(wèi)星可能包含若干歷元的信息、且歷元間可能不連續(xù)，主程序采用List類定義了32個satellite數(shù)組

List[]satellite=new List [32];

∥實例化32個Satellite類對象

for(int i=0;i<32;i++)

{

satellite[i]=new List();

}

satellite 數(shù)組中每個元素均為List類的實例，每個數(shù)組又以Satellite類實例對象為元素，從而可采用List類中的Add方法，以衛(wèi)星編號為索引，實現(xiàn)對記錄衛(wèi)星檢核結(jié)果文件中各個歷元相關(guān)信息的讀取，并采用類索引獲取所需信息，關(guān)鍵代碼如下

Satellite G=new Satellite(b,c,0,0,0,0,0,0,time);∥創(chuàng)建對象G

satellite[(Satellite.SatNo[k]-1)].Add(G);∥將對象G添加到第SatNo[k]個List數(shù)組中

在讀取完一個文件后，便可利用類索引獲得所需元素，并利用chart控件繪制圖形，代碼如下

for(int i=0;i

{

series1.Points.AddXY (satellite [j] [i] [8], satellite

[j] [i] [0]);

series2.Points.AddXY (satellite [j] [i] [8], satellite

[j] [i] [1]);

}

代碼中，j為衛(wèi)星編號；satellite [j].Count為該衛(wèi)星的歷元數(shù)；satellite [j] [i] [0]為衛(wèi)星j第i個歷元的L1多路徑效應(yīng)；satellite [j] [i] [1]為衛(wèi)星j第i個歷元的L2多路徑效應(yīng)；satellite [j] [i] [8]為衛(wèi)星j第i個歷元對應(yīng)的歷元時刻。

3. GNSS觀測數(shù)據(jù)的編輯

對檢核結(jié)果文件可視化表達(dá)后，便可直觀地對觀測值文件進(jìn)行質(zhì)量分析，從而對質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。數(shù)據(jù)的編輯包括RINEX文件的切割與合并、衛(wèi)星的選擇和禁用、高度角的設(shè)置等，同樣可通過調(diào)用TEQC命令來實現(xiàn)。如要禁用某顆GPS衛(wèi)星全部觀測值，可設(shè)置TEQC參數(shù)為

teqc - G# 輸入文件> 輸出文件

其中，參數(shù)“G”表示GPS衛(wèi)星；“#”表示衛(wèi)星編號。

然而，TEQC對衛(wèi)星的禁用是禁用該衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，這對觀測條件不好、衛(wèi)星較少時的情況非常不利。Chart-QC軟件在分析RINEX文件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合可視化圖形，實現(xiàn)了對單顆衛(wèi)星部分觀測值進(jìn)行禁用的功能，在改善原始觀測值質(zhì)量的同時，提高了觀測數(shù)據(jù)的利用率?；舅悸窞椋?/p>

1) 判斷多路徑誤差大小。

2) 獲取異常多路徑誤差對應(yīng)的歷元。

3) 刪除RINEX文件中對應(yīng)歷元的衛(wèi)星標(biāo)識及觀測值。

4) 保存RINEX文件。

4. 數(shù)據(jù)的保存

數(shù)據(jù)編輯完成后，還需將編輯后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤。Chart-QC提供3種保存方式，即替換存盤、更改路徑存盤、改名存盤。

三、軟件性能整體測試

采用某GPS控制網(wǎng)29個觀測值文件對Chart-QC軟件的功效進(jìn)行測試，主要是對電離層跳變嚴(yán)重、多路徑效應(yīng)較大、衛(wèi)星失鎖頻繁的觀測值進(jìn)行編輯。可以禁用單顆衛(wèi)星觀測值，也可禁用觀測文件某連續(xù)時間段內(nèi)的所有衛(wèi)星觀測值，或者禁用單顆衛(wèi)星部分歷元觀測值，需具體情況具體分析。

將原始觀測值數(shù)據(jù)與經(jīng)Chart-QC軟件編輯后的觀測值數(shù)據(jù)間的多路徑效應(yīng)、觀測值總數(shù)與發(fā)生周跳觀測值個數(shù)之比進(jìn)行對比分析，部分結(jié)果見表1。

表1 GNSS數(shù)據(jù)編輯前后質(zhì)量比對

對結(jié)果進(jìn)行分析可知，預(yù)處理后數(shù)據(jù)的觀測質(zhì)量相對于原始數(shù)據(jù)質(zhì)量有了大幅度的提高。首先，從有效率指標(biāo)來看，數(shù)據(jù)文件中有效率有的減小了，有的增大了，但整體上有效率普遍保持不變；其次，從多路徑誤差來看，mp1值普遍減小，其中減小值最小為5.3%、最大為33.3%；mp2值同樣普遍減小，減小值最小為17.7%、最大為46.9%；最后，從觀測值總數(shù)與發(fā)生周跳觀測值個數(shù)之比(o/slps)來看，o/slps值普遍增大，且增幅很大。顯然，Chart-QC軟件實現(xiàn)了GPS觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的。

為進(jìn)一步評價Chart-QC軟件在GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與編輯方面的功效，在保持相同的高度角、采樣間隔、電離層模型等基線處理參數(shù)設(shè)置的情況下，采用GPS數(shù)據(jù)處理軟件對所有基線按兩種方案進(jìn)行一次性處理。

方案1：對原始GPS觀測值文件進(jìn)行基線解算。

方案2：對經(jīng)Chart-QC軟件編輯后的觀測值文件進(jìn)行基線解算。

基線質(zhì)量的絕對質(zhì)量指標(biāo)是判定基線質(zhì)量合格與否的重要參數(shù)，包括獨立環(huán)閉合差和復(fù)測基線長度較差[7-10]。此處主要以這兩個指標(biāo)來評價Chart-QC的功效。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，獨立環(huán)閉合差限差為

復(fù)測基線長度較差限差為

式(1)、式(2)中，σ為基線測量精度；其余符號含義可參見文獻(xiàn)[6]。σ可按下式進(jìn)行計算

由于編輯前后的文件均由相同的GPS接收機(jī)進(jìn)行施測，且同名基線弦長一致，故基線測量精度σ相同，繼而復(fù)測基線長度較差之限差也相同；此外，同名獨立環(huán)基線邊數(shù)相同，且為相同的基線，故獨立環(huán)閉合差限差也相同。因此，將編輯前后文件進(jìn)行基線處理所得獨立環(huán)閉合差、復(fù)測基線長度較差之絕對值進(jìn)行比較，其中的較小者，更容易滿足限差要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量自然較高。于是，為宏觀評價上述指標(biāo)值的大小，將方案2結(jié)果之絕對值減方案1結(jié)果之絕對值，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 異步環(huán)及分量閉合差絕對值之差

圖4 復(fù)測基線長度較差之差

由圖3、圖4可以看出，獨立環(huán)分量閉合差及環(huán)閉合差、復(fù)測基線長度較差之絕對值之差大都小于0，也即方案2結(jié)果之絕對值大都小于方案1結(jié)果之絕對值，說明經(jīng)由Chart-QC軟件編輯后的數(shù)據(jù)整體質(zhì)量有所改善，從而說明了基于TEQC的Chart-QC軟件能對GNSS觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢查、并能根據(jù)可視化分析結(jié)果優(yōu)化觀測值質(zhì)量。差值等于0是因某些原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量本身較高，沒有對其進(jìn)行編輯處理所致。

四、結(jié)束語

在分析TEQC軟件優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，結(jié)合Visual

C#面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的方法，對TEQC進(jìn)行了基于Windows界面的可視化封裝，采用Chart控件實現(xiàn)了質(zhì)量檢核結(jié)果的可視化表達(dá)，實現(xiàn)了GNSS觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理過程的簡潔化。程序運行及處理結(jié)果表明：Chart-QC操作簡單、界面友好；質(zhì)量檢核結(jié)果可視化圖形美觀、易于分析；能在檢查與分析觀測值質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，繼而改善基線質(zhì)量，為網(wǎng)平差提供質(zhì)量較好的觀測值，從而有利于提高定位精度，從而也驗證了TEQC軟件自身在數(shù)據(jù)分析與編輯方面的功效。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙紅強(qiáng)，郭際明，李宗華，等．繪圖工具QCVIEW在GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用[J]．測繪通報，2008(11)：44-46.

[2] UNAVCO Facility. TEQC-Tutorial [EB/OL].2007-06-20[2013-01-05]. http:∥facility. unavco.org/software/teqc/tutorial.html.

[3] 廖文兵，余紅舉，王斌，等．TEQC軟件的應(yīng)用與數(shù)據(jù)分析[J]．地理空間信息，2012，10(4)：76-78．

[4] 王建軍，吳北平，馮?。甌EQC和QCVIEW32在GPS觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用[J]．工程地球物理學(xué)報，2010，7(5)：634-638．

[5] 楊宏偉，李晶．C#程序員開發(fā)手冊[M]．北京：科學(xué)出版社，2006：612-619．

[6] 梁斌玉．叩響C#之門[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2009：137-162．

[7] 張勤，李家權(quán)．GPS 測量原理及應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2005:171-172．

[8] 李征航，黃勁松．GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]．2版. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2010：282-286．

[9] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 18314—2009全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

[10] 魏二虎，王中平，龔真春，等.TEQC軟件用于GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測的研究[J]．測繪通報，2008(9)：6-9．