GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件可視化研究及應(yīng)用

白 冰，喬建新，龔真春，朱建華，林成壽

（61243部隊，甘肅 蘭州730020）

GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件可視化研究及應(yīng)用

白 冰，喬建新，龔真春，朱建華，林成壽

（61243部隊，甘肅 蘭州730020）

GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量是實現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位的前提。介紹了目前GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件的總體情況。針對TEQC軟件可視性、交互性差，以及對高版本RINEX格式數(shù)據(jù)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(BDS)觀測數(shù)據(jù)無法檢測的實際。在對TEQC軟件分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法、軟件可視化研究和功能實現(xiàn)，并給出了驗證對比情況。

GNSS；測量數(shù)據(jù)；TEQC；質(zhì)量檢查；可視化

對GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評價是工程作業(yè)一項基礎(chǔ)工作和重要環(huán)節(jié)。在GNSS導(dǎo)航定位過程中，不可避免地會受到衛(wèi)星狀況、傳播路徑、接收機(jī)、觀測環(huán)境等諸多因素的影響，GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響著其導(dǎo)航定位精度。因此，對GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查、分析和評估，是高精度GNSS導(dǎo)航定位首先需解決的問題，也是實現(xiàn)GNSS導(dǎo)航定位精度和可靠性的保障前提[1]。

本文對目前幾種常用的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析比較?；贕NSS逐步發(fā)展完善和實際應(yīng)用需求，在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，對GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法、軟件可視化進(jìn)行了研究和功能上的實現(xiàn)。

1 現(xiàn)有GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件的分析比較

1.1 當(dāng)前GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件的總體情況

現(xiàn)有的各種GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查分析軟件 （如TEQC、BNC、LeicaGNSSQC等），在兼容性、操作便捷性、可靠性以及界面可視化等方面，均存在諸多的不足。我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的已正式投入運營，但國內(nèi)外針對北斗觀測數(shù)據(jù)所進(jìn)行的質(zhì)量檢查研究工作還較少，還沒有一個較為成熟的檢測軟件可廣泛使用[2]。此外，隨著RINEX格式第三版或更新版本的出現(xiàn)，目前尚無一種數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件可同時兼容RINEX格式第二版、第三版和四大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，不能很好地適應(yīng)多導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)共存的現(xiàn)狀，嚴(yán)重滯后于GNSS的發(fā)展，有關(guān)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方面仍有很多問題需要進(jìn)一步研究。

1.2 TEQC軟件簡介

TEQC（Translate，EditandQuality-Check）軟件包，是由美國UNAVCOFacility公司專門為地學(xué)研究開發(fā)研制的軟件。自1998年7月1日問世以來，已經(jīng)過19次版本更新，是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件，且其正確性和有效性已經(jīng)得到一致認(rèn)可。TEQC軟件主要用于全球IGS連續(xù)運行站和區(qū)域連續(xù)運行站觀測數(shù)據(jù)的檢查和監(jiān)控、連續(xù)運行站的站點勘選、大地測量控制網(wǎng)、工程測量控制網(wǎng)和GPS觀測等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)預(yù)處理與質(zhì)量分析[3]。TEQC軟件主要包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測三大功能，對于具體用戶而言，其核心部分為數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測（QC）功能模塊。

雖然TEQC及其輔助繪圖軟件功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛。但目前TEQC和一些第三方軟件都是基于Matlab編寫或在DOS環(huán)境下使用的，交互性、可視性比較差，操作不方便；軟件輸出的質(zhì)量分析結(jié)果全部以文本文件的形式輸出，沒有結(jié)果的可視化和統(tǒng)計報表等功能；僅能對GPS和GLONASS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測，而對GALILEO和北斗系統(tǒng)不兼容，限制了多系統(tǒng)用戶的使用等。

1.3 其他數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件

除TEQC軟件外，還有美國Trimble公司出品的TTC軟件、徠卡公司的GNSSQC軟件以及GPSTK、CLOCKPREP、CC2NONCC、GPSToolbox等。此外，還有德國法蘭克福聯(lián)邦測繪局研發(fā)的BNC實時數(shù)據(jù)處理軟件、由日本學(xué)者高須知二和笠井晶二研發(fā)的

GPS/GNSS數(shù)據(jù)分析軟件Gpstools、武漢大學(xué)測繪學(xué)院李沖研發(fā)的HGQCS1.0等[4]。

以上各GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件，不論在交互性、可視性、結(jié)果統(tǒng)計、圖形顯示，以及處理RINEX第三版格式數(shù)據(jù)和兼容GLONASS、BDS和Galileo系統(tǒng)的數(shù)據(jù)方面，均存在著不足。

2 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法及框架設(shè)計

通過對GNSS觀測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、TEQC軟件和標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式的分析，從GPS/GLONASS和BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法入手，實現(xiàn)各功能模塊，然后再統(tǒng)一整合。GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2.1 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法

TEQC數(shù)據(jù)檢測原理：TEQC可以檢測雙頻GPS/GLNOASS 靜態(tài)和動態(tài)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，其基本原理是通過對偽距和載波相位觀測值線性組合的計算，得出L1、L2波段上的多路徑效應(yīng)，電離層對載波相位觀測值的影響，電離層延遲的變化率，以及接收機(jī)的信噪比、鐘漂、周跳等，并且給出多個質(zhì)量檢核文件。具體可參閱TEQC相關(guān)文獻(xiàn)。

2.2 北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法

北斗觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查內(nèi)容包括衛(wèi)星信號信噪比、接收機(jī)周跳、電離層延遲，以及多路徑影響等方面的信息，其中電離層延遲和多路徑效應(yīng)是影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素，對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響較為明顯[5]。質(zhì)量檢查算法流程如圖2所示。

圖2 北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測算法流程

1)周跳探測與修復(fù)。以下為利用多普勒觀測值來進(jìn)行周跳的探測與修復(fù)。利用多普勒值探測周跳的模型為：

式中，Bk為第k歷元的載波相位觀測值；Dk為第k歷元的多普勒觀測值;di為第k歷元與第k-1歷元之間的時間間隔；△N3為多普勒檢驗量。

2)電離層延遲。為提高電離層延遲改正精度，同時避免整周模糊度的求解問題，可采用載波相位平滑后的偽距作為偽距觀測值，求解電離層延遲：

3)多路徑效應(yīng)。通過雙頻偽距觀測值p1、p2，載波相位觀測值B1、B2，可建立一個分析多路徑效應(yīng)的模型，從中可求得多路徑誤差指數(shù)MP1、MP2：

式中，P1、P2為偽距觀測值；B1、B2載波相位觀測

值；M1、M2。

3 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測功能實現(xiàn)

參照國內(nèi)外GNSS數(shù)據(jù)處理軟件的先進(jìn)經(jīng)驗，一個好的GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件應(yīng)具有先進(jìn)性、實用性、可靠性、界面友好、便于操作和能夠擴(kuò)充等特征。

3.1 軟件的開發(fā)工具

根據(jù)GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及其開發(fā)內(nèi)容，本文采用VisualC++6.0開發(fā)平臺作為開發(fā)工具，設(shè)計并實現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測分析軟件GNSSData_Check。

3.2 軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

1)對TEQC的調(diào)用、封裝。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。GNSSData_Check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。由于內(nèi)核不變，所以封裝前后數(shù)據(jù)處理效果不變；且同樣的命令只是增加小到可以忽略不計的進(jìn)程間通信的時間，所以處理效率幾乎不變。從而避免了中間諸多的步驟與設(shè)置[6]。

2)數(shù)據(jù)的封裝。鑒于TEQC生成的PLOT文件格式的特點，軟件采用二維數(shù)據(jù)表DataTable的結(jié)構(gòu)存儲衛(wèi)星信息，一個觀測文件對應(yīng)一組二維表集合，利用數(shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)化語言簡化數(shù)據(jù)的存儲、查詢、刪除等操作；同時為了降低成本，省去連接數(shù)據(jù)庫的耗費,程序采用離線數(shù)據(jù)集DataSet的形式組織數(shù)據(jù)表，在內(nèi)存里直接處理數(shù)據(jù)，加快速度[7]。

3)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。GNSSData_Check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)。

3.3 軟件實現(xiàn)的功能

GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件GNSSData_Check共有以下幾個功能模塊：

1)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀?。?/p>

2)質(zhì)量檢測信息顯示；

3)多路徑計算、信噪比計算；

4)電離層和電離層延遲計算；

5)檢查結(jié)果統(tǒng)計報表和繪圖查看。

系統(tǒng)主界面非常直觀，由菜單欄、狀態(tài)欄以及當(dāng)前窗口組成。

打開主界面中“質(zhì)量檢查-配置”可進(jìn)行如下參數(shù)設(shè)置，如下圖3所示。選取“衛(wèi)星視圖”按鈕，將出現(xiàn)該觀測點位各時間內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量情況。如圖4所示。

圖3 GNSSData_Check軟件參數(shù)設(shè)置界面

圖4 GNSSData_Check軟件生成的衛(wèi)星視圖

選取“衛(wèi)星信息”按鈕，將出現(xiàn)該觀測點位衛(wèi)星的高度角、方位角、多路徑和信噪比等信息情況。如圖5所示。

圖5 GNSSData_Check軟件多路徑效應(yīng)圖

4 軟件測試結(jié)果及對比

為驗證軟件GNSSData_Check運行的功能及檢測結(jié)果的可靠性。分別采用目前國際上應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件TEQC(其正確性和有效性已經(jīng)得到一致認(rèn)可)、第三方軟件QCVIEW32和Leica GNSSQC（因使用權(quán)限，無繪圖）來進(jìn)行對比。數(shù)據(jù)來源為某三級GNSS大地控制網(wǎng)實測的三組數(shù)據(jù)。

限于篇幅，下面僅給出一組(點453F)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測核心指標(biāo)檢測結(jié)果和衛(wèi)星高度角視圖相互對比情況。比較結(jié)果見表1和圖6、圖7。

表1 三種軟件檢測結(jié)果對比

從表1可以看出，本軟件GNSSData_Check同TEQC軟件檢測結(jié)果一樣，同Leica質(zhì)量檢測軟件稍有差異，這是由二者在檢測算法上的差異所造成的。但考慮到軟件TEQC的正確性和有效性已經(jīng)得到一致認(rèn)可，故認(rèn)為本軟件檢測結(jié)果準(zhǔn)確無誤。同時，根據(jù)IGS跟蹤站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計及相關(guān)規(guī)范規(guī)定：三項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)分別為MP1＜0.5，MP2＜0.75，0/slips＞100。說明三個點位的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量很好，符合規(guī)定要求。

圖6 第三方軟件QCVIEW生成的衛(wèi)星高度圖

圖7 GNSSData_Check軟件生成的衛(wèi)星高度圖

從圖6、圖7的繪圖功能和效果可看出，GNSSData_Check軟件同第三方軟件QCVIEW的功能和效果基本相當(dāng)，都能準(zhǔn)確地反映出所表達(dá)的信息。但第三方軟件QCVIEW是基于DOS操作系統(tǒng)，存在操作不便，生成圖不便保存等問題。

5 結(jié)束語

本文在分析比較現(xiàn)有GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件功能的基礎(chǔ)上，對TEQC軟件進(jìn)行了Windows界面封裝以及可視化，形成一套具備數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、報表輸出、繪圖功能操作簡便的GPS/GLONASS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件，并對其可靠性進(jìn)行了驗證。特別是針對國內(nèi)外對北斗觀測數(shù)據(jù)所進(jìn)行的質(zhì)量檢查研究工作還較少的實際，對BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測方法進(jìn)行了研究。下一步計劃對該軟件進(jìn)行完善和補(bǔ)充，使其能實現(xiàn)多模GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量及新舊版本數(shù)據(jù)格式檢測功能，以提高工作效率。

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