基于Python 設計的TEQC 數(shù)據(jù)質量可視化分析軟件

吳家杰，王挺，黃爾雙

(江西省煤田地質局測繪大隊，南昌 330001)

0 引 言

伴隨全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)的快速發(fā)展與廣泛應用，用戶對GNSS 定位服務質量提出了更高的需求.但GNSS 定位服務的準確性、可靠性與可用性會受到GNSS 觀測數(shù)據(jù)質量好壞的影響[1-2].通常在GNSS 觀測數(shù)據(jù)使用前，需對觀測數(shù)據(jù)進行質量評估和預處理，以消除或減弱各種誤差因素的影響，進而提高GNSS 定位精度[3].目前工程應用上公認最為常用的GNSS 數(shù)據(jù)預處理軟件，是由美國衛(wèi)星導航系統(tǒng)與地殼變形觀測研究大學聯(lián)合體(UNAVCO Facility)開發(fā)的TEQC 軟件[4-6].

TEQC 軟件以質量檢核功能為核心，包含數(shù)據(jù)格式轉換、編輯等功能，可對GNSS 觀測數(shù)據(jù)進行多角度全方位的質量評估與預處理.但TEQC 軟件的可視化功能較為薄弱，不利于對觀測數(shù)據(jù)質量的直觀評估，需借助QCVIEW、CF2PS 和QC2SKY 等第三方繪圖軟件查看分析.上述繪圖工具已不再支持TEQC 2013-03-15 之后版本生成的compact3 結果文件[7].為實現(xiàn)對更新的TEQC 軟件處理結果可視化分析，許多學者進行了相關研究.文獻[7]基于MATLAB GUI開發(fā)了一套適用于compact3 結果文件的可視化界面軟件(TEQC Plot-View).文獻[8]基于MATLAB 二次開發(fā)編制了teqcplot 部分程序模塊，實現(xiàn)了對TEQC的圖形顯示與可視化查詢.文獻[3]基于MATLAB 對TEQC 繪圖工具進行了二次開發(fā)，豐富了其圖形顯示功能，實現(xiàn)了可視化預處理分析.文獻[9]基于C#語言開發(fā)了TeqcChart(V1.0)軟件.文獻[10]利用C#開發(fā)基于TEQC 的GPS 數(shù)據(jù)預處理工具箱.上述TEQC質量可視化腳本的改進，依托于MATLAB 和C#，但MATLAB 運行效率低，C#開發(fā)效率低且不利于后期維護和更新.目前，流行的Python 語言具有免費開源、開發(fā)效率高、代碼簡潔等特點，在一定程度上彌補了該不足.鑒于此，本文基于Python 語言對TEQC質量檢核模塊進行可視化軟件設計，并結合實驗數(shù)據(jù)對編寫的軟件性能進行測試.

1 TEQC 質量檢核

質量檢核模塊是TEQC 軟件的核心功能之一，其質量檢核原理主要是利用GNSS 觀測數(shù)據(jù)的偽距和載波相位信息進行線性組合，實現(xiàn)對GNSS 數(shù)據(jù)的信噪比(SNR)、多路徑、電離層延遲和電離層延遲變化率等質量檢核指標的分析[11].用戶執(zhí)行TEQC 質量檢核功能后會生成多個質量檢核結果文件.質量檢核結果文件類型包含質量檢核摘要文件、基礎數(shù)據(jù)信息文件、質量檢核指標結果文件，其文件數(shù)量取決于衛(wèi)星信號頻點總數(shù).在眾多質量檢核文件之中，質量檢核摘要文件的內容最為豐富，給出了觀測歷元、觀測值統(tǒng)計、觀測失鎖統(tǒng)計、觀測值刪除統(tǒng)計、周跳比和多路徑等數(shù)據(jù)質量指標值.因此，在進行GNSS 數(shù)據(jù)質量全面評估時，質量檢核摘要文件是不可或缺的部分[12].

TEQC 軟件實際上是一個可執(zhí)行文件(exe 文件)，需在DOS 環(huán)境中設置不同參數(shù)指令，才可完成TEQC軟件質量檢核功能.質量檢核模式依據(jù)質量檢核指令中是否添加廣播星歷文件分為完整模式和輕量模式[7]，在廣播星歷缺省狀態(tài)下，輕量模式只會生成部分質量檢核結果文件(不包含高度角和方位角等信息文件).一般情況下，完整模式輸出全部的質量檢核結果文件，下文如不特別說明均采用完整模式解算.

隨著TEQC 軟件的持續(xù)改進，不同版本的質量檢核指令存有微小差異，如更新日期在2013-11-13以上的TEQC 版本，在DOS 環(huán)境中輸入teqc+qc+all+ssv?nav brdm1681.20L abmf1682_e.20O，默認僅生成1 個質量檢核摘要文件.因此，需完全輸出所有質量檢核文件，應在+qc 指令后添加+plot 參數(shù)，相應的質量檢核指令如下：

其中：+qc 為選擇質量檢核；+plot 為輸出所有質量檢核結果文件；+all 為添加所有觀測類型數(shù)據(jù)；+ssv 為輸出每個衛(wèi)星的多路徑值；?nav 為輸入廣播星歷文件，多個廣播星歷文件可并行輸入.

完整模式下生成的質量檢核結果文件類型如表1 所示.

表1 完整模式下質量檢核結果文件類型

長期以來，TEQC 軟件質量檢核模塊只支持GPS 和GLONASS 雙系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)和GALIEO 觀測數(shù)據(jù)不兼容.但隨著TEQC軟件的持續(xù)優(yōu)化，TEQC 2019-02-12 版本已提供BDS和GALIEO 數(shù)據(jù)接口，可以進行相應系統(tǒng)數(shù)據(jù)的質量檢核操作[13].

2 基于Python 的TEQC質量可視化設計

鑒于TEQC 質量檢核可視化功能相對欠缺，本文利用Python 語言對TEQC 質量檢核結果文件進行了界面化設計與封裝處理，編寫了一款TEQC 質量檢核的可視化軟件TPP(TEQC Plot of Pyhone).該軟件包含數(shù)據(jù)導入、質量檢核、參數(shù)選擇、繪圖和保存等5 個模塊.其中，繪圖模塊是核心，參數(shù)選擇模塊的參數(shù)選項可根據(jù)用戶需求靈活設置，涵蓋衛(wèi)星數(shù)目限定與衛(wèi)星選定，可隨機進行組合，查看需求衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質量檢核指標情況，以滿足精密單點定位(PPP)的數(shù)據(jù)質量標準.TPP 軟件結構具體流程如圖1 所示.

圖1 TPP 軟件結構圖

繪圖模塊作為TPP 軟件核心，其可依據(jù)質量檢核模塊輸出的結果文件，分別繪制極坐標天空圖、衛(wèi)星觀測序列圖和高度角時間序列圖、參數(shù)時間序列圖以及質量檢核指標參數(shù)時間序列圖(包括SNR、多路徑和電離層延遲等).但由于單個圖形間相互對比性較差，難以充分顯示不同質量檢核指標相關性.因此，TPP 將極坐標天空圖、衛(wèi)星觀測序列圖和高度角時間序列圖作為底圖形式疊加SNR、多路徑和電離層延遲等質量檢核信息，可進一步分析高度角、方位角和觀測時段與檢核質量指標各因素間的相關關系；同時增設了質量摘要信息顯示功能，通過質量摘要信息與繪圖模塊的聯(lián)合分析，用戶能夠綜合判別每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質量好壞，利于后期的數(shù)據(jù)預處理，剔除出部分質量較差的衛(wèi)星觀測信息，從而提高基線解算的質量.圖2 為TPP 主體界面.

圖2 TPP 主體界面

TPP 還可限制觀測時段，解析不同觀測時段下的衛(wèi)星數(shù)目與質量檢核情況，將普遍質量偏差的時段進行切割處理.其次，TEQC 封裝于TPP 之中，通過獨立線程在后臺運行，減免了用戶牢記TEQC 復雜檢核指令，減輕了底層數(shù)據(jù)處理重復性.

3 TPP 軟件性能測試

為測試TPP 軟件性能穩(wěn)定性和驗證TEQC 針對GALILEO 系統(tǒng)的質量分析情況，本文選取了MGEX(Multi-GNSS Experiment)基準站ABMF 站2020 年6 月16 日全天的GAILIEO 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，作為軟件性能測試的實驗數(shù)據(jù).并通過TPP 軟件對GAILIEO衛(wèi)星E6 頻點上的觀測數(shù)據(jù)質量檢核結果進行可視化測試分析.

3.1 質量檢核摘要顯示測試

TEQC 的質量檢核模式會生成兩種用戶所需要的質量檢核結果(質量檢核摘要、質量檢核指標).質量檢核摘要文件主要是記錄衛(wèi)星系統(tǒng)質量評估匯總結果，而質量檢核指標結果文件更多地是記錄每顆衛(wèi)星的質量檢核指標在不同時段、方位角及高度角的詳細信息.通過兩者的相互補充，可實現(xiàn)對GNSS 觀測數(shù)據(jù)的總體質量評估，質量檢核摘要界面如圖3 所示.

圖3 質量檢核摘要顯示界面

3.2 極坐標天空圖測試

極坐標天空圖主要包含兩種衛(wèi)星位置信息因素：1)高度角；2)方位角.依據(jù)兩種因素變化趨勢，可給出衛(wèi)星信號的運行軌跡.同時極坐標天空圖還可添加質量檢核指標信息于衛(wèi)星軌跡之上，利于從空間角度解析質量檢核指標的變化情況.

圖4 為GALILEO 衛(wèi)星的高度角與方位角的變化情況.由圖4 可知，ABMF 站的觀測數(shù)據(jù)總計接收到22 顆GALILEO 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，表明ABMF 站GALILEO信號較為良好.

圖4 GALILEO 衛(wèi)星極坐標天空圖

圖5 給出了GALILEO 衛(wèi)星的E6 頻點上SNR 的變化情況.由圖5 可知，E6 頻點SNR 值基本穩(wěn)定在30～55 dB-Hz，表明ABMF 站的觀測位置條件良好，并未受到太多遮擋物干擾.此外，GALILEO 衛(wèi)星E6頻點低SNR 數(shù)值集中于高度角10°～20°，后續(xù)對GALILEO 觀測數(shù)據(jù)進行預處理時，可通過限制高度角范圍，剔除質量較差的觀測信息，以保證定位精度.

圖5 GALILEO 衛(wèi)星E6 頻點上SNR 極坐標天空圖

3.3 衛(wèi)星觀測序列圖測試

衛(wèi)星觀測序列圖是依據(jù)不同觀測時段下衛(wèi)星的可見性繪制而成，用戶可了解每顆衛(wèi)星信號的接收與結束時段信息.通過質量檢核指標的疊加顯示，質量檢核信息被有序的分布在每顆可見衛(wèi)星上，利于從時間角度解析不同衛(wèi)星質量檢核指標在觀測時段的變化情況.

圖6 為GALILEO 衛(wèi)星在2020 年6 月16 日的全天衛(wèi)星可見性情況.由圖6 可知，多數(shù)GALILEO 衛(wèi)星的觀測時段大于9 h，僅有少數(shù)可視衛(wèi)星E33、E19和E12 的觀測時段相對較短.

圖6 GALILEO 衛(wèi)星觀測序列圖

圖7 為GALILEO 衛(wèi)星 E6 頻點上多路徑值與可見性之間的關系情況.由圖7 可知多路徑值與可見性并未存在關聯(lián).但在接收機開始與停止接收衛(wèi)星信號的前后時段，多路徑值較大.因此，可利用TEQC 軟件的數(shù)據(jù)預處理功能，將多路徑效應嚴重的時段進行剔除，以保證GNSS 數(shù)據(jù)質量.

圖7 GALILEO 衛(wèi)星E6 頻點上多路徑觀測序列圖

3.4 高度角時間序列圖測試

高度角時間序列圖是反映的不同歷元下衛(wèi)星高度角的變化情況，用戶可從時空角度去判別質量檢核指標的變化情況.

圖8 與圖9 中分別給出了GALILEO 衛(wèi)星高度角和E6 頻點上電離層延遲的變化情況，由圖8 和圖9可知，電離層延遲與高度角存有一定關聯(lián)性，電離層誤差是由電離層效應引起的觀測值誤差，其存在一定正負值[14].伴隨高度角的增加，電離層延遲逐漸減小，反之亦然.

圖8 GALILEO 衛(wèi)星高度角時間序列圖

圖9 GALILEO 衛(wèi)星E6 頻點上電離層延遲隨高度角變化信息圖

3.5 質量檢核指標參數(shù)時間序列圖測試

指標參數(shù)時間序列圖是質量檢核指標隨時間的變化關系，用于分析各項質量指標的變化情況.為驗證單顆衛(wèi)星質量可視化效果，結合圖6 本文選取了觀測時段較長的E03 衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)進行分析.

圖10 為E03 衛(wèi)星在E6 頻點上質量檢核指標隨時間的變化關系.由圖10 可知，E03 共有04:00—14:00 與15:00—20:00 兩個觀測時段，其對應的質量檢核指標波動存有差異.04:00—14:00 時段僅在開始與結束時出現(xiàn)較大波動，而15:00—20:00整時段波動性都較大.結合高度角信息可知高度角越大的區(qū)間，質量檢核指標波動較小.上述實驗證實了SNR 與高度角成正比[15-16]、多路徑值與高度角成反比[17]以及電離層延遲與高度角成反比[18]等相關結論.

圖10 E03 衛(wèi)星E6 頻點上質量檢核指標參數(shù)時間序列圖

4 結束語

針對TEQC 2013-03-15 以后版本生成的質量檢核結果文件，難以采用現(xiàn)有的軟件對其可視化表達，不利于準確可靠的數(shù)據(jù)預處理這一問題.本文利用Python語言對TEQC 的質量檢核模塊進行了可視化設計，編寫了一款TPP 質量可視化軟件，并采用實測數(shù)據(jù)進行軟件性能測試，得出以下三點結論：

1) TPP 質量可視化軟件可對單顆衛(wèi)星以及多顆衛(wèi)星不同觀測時段下數(shù)據(jù)進行質量檢核結果的可視化分析，輸出的可視化圖形較為豐富，能較為直觀反映出該系統(tǒng)下每顆衛(wèi)星的質量狀況；

2) TPP 質量可視化軟件設置了質量檢核摘要和質量檢核指標的雙重判別模式，增強了用戶對于整體與局部衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質量的判斷；

3) TPP 質量可視化軟件結合TEQC 軟件的文件切割與合并、衛(wèi)星系統(tǒng)的選擇以及特定衛(wèi)星的禁用等功能，可提取有效的GNSS 觀測數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)GNSS 高精度數(shù)據(jù)處理做準備.