運用TEQC軟件進行GPS數據質量分析及其在高速鐵路框架網選址中的應用

王世君

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西西安 710043)

高速鐵路框架網(CP0)是勘測、施工及運營維護過程中的平面控制起算基準?？蚣芫W建設涵蓋了鐵路建設及運營的整個生命周期,其成果質量至關重要。

數據質量是決定GPS基線解算精度的根本因素,在采用GAMIT/Bernese等軟件進行基線解算前,對原始觀測數據進行數據質量分析及數據編輯是獲取可靠成果的重要保障。由于衛星信號傳播誤差是基線解算的一個重要誤差來源,因此在高速鐵路框架網建設中如何選擇合適的站點,避免電磁干擾及多路徑效應影響就顯得尤為重要。

1 TEQC功能分析

TEQC是由UNAVCO (University NAVSTAR Consortium)開發研制的一套GPS/GLONASS數據預處理軟件,向全世界公開。該軟件在GPS原始數據質量檢測及CORS選址中得到了廣泛的應用。TEQC是一個操作簡單但功能強大的GPS數據預處理軟件,主要包含數據格式轉換、數據編輯和數據質量檢測三個功能模塊。

數據格式轉換模塊可將來自于不同廠家、不同型號接收機采集的GPS原始觀測數據轉換為標準的R INEX格式GPS數據文件。

TEQC具有強大的數據編輯功能,主要包括頭文件編輯、數據切割、數據合并、衛星系統的選擇和衛星系統的禁用、設置衛星截止高度角及觀測值類型。對于GPS、GLONASS雙星接收機,可以用TEQC軟件禁用GLONASS衛星,并且可以禁用任意一顆GPS衛星。

本文將重點討論TEQC數據質量分析原理及其在高速鐵路框架網CP0點選址中的應用。

2 TEQC數據質量分析原理

TEQC軟件主要利用偽距觀測值和相位觀測值的線性組合進行GPS/GLONASS數據誤差分析,通過計算觀測數據的電離層延遲、多路徑影響、周跳、衛星信噪比以及鐘漂移來反映觀測數據的質量,并可采用QCVIEW軟件進行直觀圖形顯示。

TEQC軟件有兩種數據檢核方式,分別為qc-lite、qc-full,默認情況下,如果具備導航文件則采用qc-full方式,否則采用-qc-lite方式。進行數據質量檢核后,將生成如下幾個文件：

******.ion L2電離層觀測值

******.iod L2電離層觀測值變率

******.mp1 P1多路徑觀測值(包括接收機噪聲)

******.mp2 P2多路徑觀測值(包括接收機噪聲)

******.sn1 L1頻率上的信噪比

******.sn2 L2頻率上的信噪比

******.azi 衛星方位角 (在廣播星歷和觀測數據同時使用時產生)

******.ele 衛星高度角 (在廣播星歷和觀測數據同時使用時產生)

******.**S 質量檢查摘要文件

其中******.**s是質量檢查統計的結果文件,是TEQC軟件的核心部分,主要用于對觀測數據的質量評定,一般情況下觀測人員主要是對該文件進行檢查,從而確定觀測數據的質量。其他幾個文件主要用于作圖,從而可直觀的對每一顆或全部衛星的單項質量進行檢查。

檢查結果文件中的多路徑效應影響的均方差(RMS)、觀測值與周跳的個數比值，能夠較好的反應觀測數據的總體質量,在數據質量檢查評定時具有重要的意愿。

設Mp1、Mp2分別表示為L1、L2載波上的多路徑效應對偽距和相位影響的綜合指標,其結果以均方差形式表述如下

Mp1=p1-[1+2/(α-1)]Φ1+[2/(α-1)]Φ2

Mp2=p2-[2α/(α-1)]Φ1+[2α/(α-1)]Φ2

式中,p1、p2分別是雙頻偽距觀測值,Φ1、Φ2為雙頻相位觀測值。

觀測值與周跳的個數比值以o/slps形式在質量檢查結果文件中直接給出,這里不在贅述。

3 在框架網選址中的應用

框架網存在于高速鐵路整個生命周期,為鐵路勘察、設計、施工、運營各個階段提供統一的平面控制基準。因此，其點位選擇要求比其他幾級精密測量控制網顯得更為嚴格。高速鐵路框架網控制點位在具備良好的穩定基礎之上,必須具備良好的觀測環境,譬如無電磁波干擾、無大面積光滑的反射區、視野開闊等。

綜合以上原因,在高速鐵路框架網建站之前,很有必要采用雙頻GPS 接收機在初步選定的站址上進行實地24 h的測試,以驗證該點位是否適合作為CP0點。

在某高速鐵路框架網建設中,共設計建立11個CPO點,采用這11個站點的24 h的連續觀測數據,運用TEQC軟件進行數據質量分析以判定初步選擇的站點是否滿足選址的要求。質量分析統計結果如表1所示。

從表1可以看出,除HD03站點之外,其他各站點數據質量較好,完全能夠滿足高速鐵路框架網站點選址的需要。下面重點對HD03站點進行分析。

HD03站點在L1、L2載波上多路徑效應的影響值的均方差偏大,觀測值與周跳的個數比值(o/slps)過低,在數據質量檢核結果文件中，該站點上觀測衛星情況如圖1所示。

表1 多路徑影響值及觀測值與周跳比

通過對圖1的衛星觀測情況分析,發現該站點主要存在以下問題：①在觀測過程中發生大量鐘跳變,且各顆星的變化量不同,變化量為整毫秒；②相位中的電離層觀測值發生大量跳變；③PN03、PN018、PN024、PN029衛星均發生衛星鎖定失鎖現象；④P1的多路徑影響發生了跳變。

為了更直觀的反映L1、L2上多路徑效應影響值,采用UNAVCO研制的QCVIEW軟件,利用TEQC進行數據質量檢核生成的*.mp1、*.mp2文件了進行了數據質量分析。

圖2、圖3分別是L1上所有衛星的多路徑效應影響值的綜合顯示以及影響最大的SV20衛星的直觀圖形顯示。

圖2 HD03站點L1上所有衛星多路徑效應綜合影響

圖3 HD03站點L1上多路徑效應綜合影響最顯著的SV20衛星的影響

圖4是L2上所有衛星的多路徑效應影響的綜合顯示。

圖4 HD03站點L2上所有衛星多路徑效應綜合影響

通過對圖2～圖4的分析,多路徑效應的影響值在L1、L2上均偏大,且L1上多路徑效應綜合影響更大于L2上多路徑效應的綜合影響。

綜合以上分析,運用TEQC軟件很好的評定了該框架網的數據質量,認為HD03站點的初步選址并不理想,該位置并不適合作為高速鐵路框架網CP0點,有必要選擇新的站點。

4 結束語

運用TEQC軟件進行GPS數據質量檢驗,能夠更好的了解GPS數據質量,為根據實際情況采取必要的措施來保證基線解算精度提供了重要的參考價值。通過對某高速鐵路框架網進行GPS數據質量檢驗及實例分析,驗證了其在高速鐵路框架網站點選址中的重要意義。

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