張 萌 李彥粉

(1. 中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院, 北京 100045 2. 北京威特空間科技有限公司, 北京 102627)

0 引言

廣電工程全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)測(cè)量工作經(jīng)常在大功率中、短波發(fā)射天線周圍開展,由于發(fā)射天線將發(fā)射機(jī)射頻信號(hào)變成電磁波信號(hào)輻射出去,會(huì)在發(fā)射天線周圍形成很強(qiáng)的電磁場(chǎng)環(huán)境,導(dǎo)致GNSS觀測(cè)信號(hào)信噪比降低,同時(shí)發(fā)射天線作為一種金屬障礙物,對(duì)GNSS觀測(cè)信號(hào)也會(huì)造成一定的屏蔽和遮擋作用,影響GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,因此廣電工程GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核及預(yù)處理是廣電工程GNSS數(shù)據(jù)處理的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容。

GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件 (translation ,editing and quality checking,TEQC)是美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測(cè)研究大學(xué)聯(lián)合體開發(fā)的一款免費(fèi)的GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件[1],該軟件包含數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核三大功能,被廣泛應(yīng)用于城市、大型工程控制網(wǎng)的GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)問題,有效提高測(cè)量成果精度。本文針對(duì)廣電工程較為特殊的觀測(cè)環(huán)境,通過工程實(shí)例,研究、探討TEQC軟件在廣電工程GNSS數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用效果,同時(shí)針對(duì)TEQC軟件交互性差、操作不方便等問題,采用Visual Studio C++對(duì)TEQC軟件進(jìn)行可視化界面開發(fā)。

1 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核指標(biāo)

1.1 TEQC質(zhì)量檢核指標(biāo)

TEQC軟件質(zhì)量檢核,通過偽距和載波相位的線性組合方法,計(jì)算出L1、L2波段上多路徑效應(yīng)、電離層對(duì)相位的影響、電離層延遲的變化以及接收機(jī)的鐘漂和周跳等[2-3]。TEQC軟件質(zhì)量檢核分為無導(dǎo)航文件(qc-lite)和有導(dǎo)航文件(qc-full)兩種檢核方式。在qc-full模式下,軟件會(huì)生成為1個(gè)質(zhì)量匯總文件和8個(gè)繪圖結(jié)果文件,質(zhì)量匯總文件記錄了數(shù)據(jù)采集的開始時(shí)刻(first epoch)、結(jié)束時(shí)刻(last epoch)、觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)(hrs)、數(shù)據(jù)采樣率(dt)、應(yīng)采數(shù)據(jù)量(#expt)、實(shí)采數(shù)據(jù)量(#have)、利用率(%)、L1載波多路徑影響(MP1)、L2載波多路徑影響(MP2)、觀測(cè)值與周跳比值(o/slps)等重要指標(biāo)信息[4-7],其中最關(guān)鍵指標(biāo)為MP1、MP2和o/slps。

MP1、MP2分別表示L1、L2波段上的多路徑效應(yīng)對(duì)偽距和相位影響的綜合指標(biāo),計(jì)算見式(1)、式(2)。

式中,P1、P2分別表示L1和L2波段上的測(cè)距碼偽距觀測(cè)值；φ1、φ2表示L1和L2波段上的載波相位觀測(cè)值；α表示L1和L2波段頻率之比的平方。

一般情況下,MP1和MP2越小,說明抗多路徑效應(yīng)越強(qiáng),o/slps越小說明數(shù)據(jù)出現(xiàn)周跳越嚴(yán)重。根據(jù)國際GNSS服務(wù)(International GNSS Service,IGS)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),上述三個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)分別為MP1<0.5 m,MP2<0.75 m,o/slps>100[8-9]。

1.2 基線解算質(zhì)量檢核指標(biāo)

基線解算通常采用固定雙差解質(zhì)量因子(Ratio)和均方根誤差(root mean square,RMS)評(píng)定觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

(1)固定雙差解質(zhì)量因子Ratio。Ratio即整周模糊度分解后,次最小RMS與最小RMS的比值,如式(3)所示。

(3)

式中,RMSsec為次最小RMS；RMSmin為最小RMS。

Ratio反映了所確定出的整周未知數(shù)參數(shù)的可靠性,這一指標(biāo)取決于多種因素,既與觀測(cè)值的質(zhì)量有關(guān),也與觀測(cè)條件的好壞有關(guān)。Ratio是反映基線質(zhì)量好壞的最關(guān)鍵值,通常情況下,要求Ratio值大于3。

(2)均方根誤差RMS。RMS的計(jì)算如式(4)所示。

(4)

式中,V為觀測(cè)值的殘差；P為觀測(cè)值的權(quán)；n為觀測(cè)值總個(gè)數(shù)。

RMS表明了觀測(cè)值的質(zhì)量,RMS越小,觀測(cè)值質(zhì)量越好；反之,表明觀測(cè)值質(zhì)量越差。它不受觀測(cè)條件(如衛(wèi)星分布好壞)的影響。

2 TEQC軟件的可視化開發(fā)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

TEQC軟件實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可執(zhí)行文件(exe文件),該軟件基于C語言編寫,在DOS環(huán)境下采用命令方式操作,交互性差,操作不方便,成果顯示不直觀[10-11]。本文利用Visual Studio C++開發(fā)平臺(tái),采用可視化界面編程和管道(pipe)編程技術(shù),對(duì)TEQC軟件進(jìn)行可視化界面開發(fā)[12-16],實(shí)現(xiàn)如下功能:

(1)在Windows環(huán)境和可視化界面下,實(shí)現(xiàn)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢核,生成TEQC質(zhì)量檢核結(jié)果文件。

(2)根據(jù)設(shè)定的MP1、MP2和o/slps指標(biāo),自動(dòng)評(píng)價(jià)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,生成質(zhì)量檢核報(bào)表。

(3)對(duì)于質(zhì)量不佳的觀測(cè)數(shù)據(jù),通過手動(dòng)或自動(dòng)禁用某時(shí)間段觀測(cè)質(zhì)量不佳的衛(wèi)星數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量?jī)?yōu)化預(yù)處理功能。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)2.2.1 管道編程技術(shù)

管道實(shí)際是用于進(jìn)程間通信的一段共享內(nèi)存,創(chuàng)建管道的進(jìn)程稱為管道服務(wù)器,連接到一個(gè)管道的進(jìn)程為管道客戶機(jī)。一個(gè)進(jìn)程在向管道寫入數(shù)據(jù)后,另一進(jìn)程就可以從管道的另一端將其讀取出來。利用管道編程技術(shù),在可視化系統(tǒng)界面下,直接將命令傳送給TEQC,無須在DOS環(huán)境進(jìn)行。創(chuàng)建管道的部分代碼如下:

HANDLE hReadPipe2,hWritePipe2,hReadPipe1,hWritePipe1;

CreatePipe(&hReadPipe1, &hWritePipe1, &sa1, 0); //創(chuàng)建管道

CreatePipe(&hReadPipe2, &hWritePipe2, &sa2, 0);

2.2.2Word質(zhì)量檢核報(bào)表規(guī)則設(shè)置

軟件將自動(dòng)生成檢核結(jié)果Word文檔,插入觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查表,表中顯示點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)、接收機(jī)型號(hào)、開關(guān)機(jī)時(shí)間、觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)利用率、MP1、MP2、o/slps以及各衛(wèi)星觀測(cè)質(zhì)量等指標(biāo)信息,部分代碼如下:

oDoc=oDocs.Add(vOpt,vOpt,vOpt,vOpt);//創(chuàng)建新文檔

oSel.TypeText("GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查表 "); //創(chuàng)建表格

COleVariant vUnit((long)5), vCount((long)1), vExtend((long)1);

oSel.MoveUp(&vUnit, &vCount, &vOpt);

oSel.MoveDown(&vUnit, &vCount, &vExtend);

2.3 界面實(shí)現(xiàn)

可視化TEQC軟件,界面簡(jiǎn)潔,操作簡(jiǎn)單,分為文件操作、質(zhì)量檢核和預(yù)處理三個(gè)主要功能區(qū)。文件操作功能區(qū),用于設(shè)置觀測(cè)文件及TEQC軟件的路徑；質(zhì)量檢核功能區(qū),用于觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢核及報(bào)表輸出；數(shù)據(jù)預(yù)處理功能區(qū),用于觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量?jī)?yōu)化,分手動(dòng)調(diào)整和自動(dòng)調(diào)整兩種方式。

3 工程實(shí)例

以某中央發(fā)射臺(tái)站廣電工程為例,現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)控制點(diǎn)共5個(gè),分別為G1、G2、G3、G5和9-3,其中控制點(diǎn)G1、G2和9-3位于大功率短波天線周圍,控制點(diǎn)9-3距離短波天線最近,距離僅7 m,如圖1所示。GNSS控制網(wǎng)測(cè)量,采用中海達(dá)V30接收機(jī),采樣率設(shè)定5 s,高度角設(shè)定10°,共觀測(cè)3個(gè)時(shí)段。

為對(duì)比檢驗(yàn)TEQC可視化軟件在廣電工程GNSS數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用效果,分別采用以下兩種方法對(duì)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理:

(1)采用TEQC可視化軟件對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核和預(yù)處理,對(duì)比預(yù)處理前后觀測(cè)數(shù)據(jù)MP1、MP2和o/slps指標(biāo)情況,如表1所示。

表1 觀測(cè)文件預(yù)處理前后MP1、MP2和o/slps指標(biāo)對(duì)比表

(2)采用中海達(dá)商用軟件HGO,分別對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)處理后的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算,對(duì)比預(yù)處理前后觀測(cè)數(shù)據(jù)的基線質(zhì)量,采用Ratio和RMS作為評(píng)定指標(biāo),如表2所示。

表2 觀測(cè)文件預(yù)處理前后基線Ratio和RMS指標(biāo)對(duì)比表

由表1可知,觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理前,5個(gè)控制點(diǎn)MP1指標(biāo)最大值為0.603 m,最小值為0.356 m,MP2指標(biāo)最大值0.726 m,最小值為0.313 m,o/slps指標(biāo)最大值為5 598,最小值為211?？刂泣c(diǎn)9-3、G1和G2,因靠近大功率短波天線較近,3個(gè)控制點(diǎn)的MP1指標(biāo)均大于0.5 m,觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量不合格；剩余2個(gè)點(diǎn)G3和G5,MP1、MP2和o/slps指標(biāo)均滿足要求,觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量合格。

采用TEQC可視化軟件進(jìn)行預(yù)處理后,5個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)MP1、MP2和o/slps均得到明顯提高。經(jīng)對(duì)比,控制點(diǎn)9-3的MP1指標(biāo)由0.574 m降至0.472 m,G1的MP1指標(biāo)由0.603 m降至0.421 m,G2點(diǎn)的MP1指標(biāo)由0.552 m降至0.489 m,上述3個(gè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后,質(zhì)量指標(biāo)MP1、MP2和o/slps均滿足要求,觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量變?yōu)楹细瘛?/p>

同樣由表2可知,采用TEQC可視化軟件進(jìn)行預(yù)處理后,5個(gè)控制點(diǎn)組成的7條基線質(zhì)量指標(biāo)Ratio和RMS均得到明顯提高,基線解算質(zhì)量及精度得到顯著提升,如基準(zhǔn)G1-G2,經(jīng)預(yù)處理后,Ratio指標(biāo)由5.7提高到20.1,RMS指標(biāo)由0.009 6 m降至0.006 3 m。

4 結(jié)束語

針對(duì)廣電工程特殊的觀測(cè)環(huán)境,本文通過對(duì)TEQC軟件進(jìn)行可視化開發(fā),在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)廣電工程GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核、報(bào)表輸出和預(yù)處理等功能,經(jīng)工程實(shí)例驗(yàn)證,結(jié)果表明,可視化TEQC軟件能夠明顯改善廣電工程GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,提高GNSS觀測(cè)精度。本文通過刪減觀測(cè)質(zhì)量差的衛(wèi)星信號(hào)的思路來改善廣電工程GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,使得數(shù)據(jù)使用率出現(xiàn)一定降低,如何采用更有效方式改善廣電工程GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量是接下來的研究方向。