GNSS数据质量检测软件可视化研究及应用

白 冰，乔建新，龚真春，朱建华，林成寿

（61243部队，甘肃 兰州730020）

GNSS数据质量检测软件可视化研究及应用

白 冰，乔建新，龚真春，朱建华，林成寿

（61243部队，甘肃 兰州730020）

GNSS观测数据质量是实现高精度导航定位的前提。介绍了目前GNSS数据质量检查软件的总体情况。针对TEQC软件可视性、交互性差，以及对高版本RINEX格式数据和北斗卫星导航定位系统(BDS)观测数据无法检测的实际。在对TEQC软件分析的基础上，进行了GNSS观测数据质量检测方法、软件可视化研究和功能实现，并给出了验证对比情况。

GNSS；测量数据；TEQC；质量检查；可视化

对GNSS观测数据质量进行评价是工程作业一项基础工作和重要环节。在GNSS导航定位过程中，不可避免地会受到卫星状况、传播路径、接收机、观测环境等诸多因素的影响，GNSS数据质量的好坏直接影响着其导航定位精度。因此，对GNSS数据质量进行检查、分析和评估，是高精度GNSS导航定位首先需解决的问题，也是实现GNSS导航定位精度和可靠性的保障前提[1]。

本文对目前几种常用的GNSS数据质量检测软件的优缺点进行了分析比较。基于GNSS逐步发展完善和实际应用需求，在国内外研究的基础上，对GNSS观测数据质量检测方法、软件可视化进行了研究和功能上的实现。

1 现有GNSS数据质量检测软件的分析比较

1.1 当前GNSS数据质量检测软件的总体情况

现有的各种GNSS数据质量检查分析软件 （如TEQC、BNC、LeicaGNSSQC等），在兼容性、操作便捷性、可靠性以及界面可视化等方面，均存在诸多的不足。我国的北斗卫星导航系统(BDS)的已正式投入运营，但国内外针对北斗观测数据所进行的质量检查研究工作还较少，还没有一个较为成熟的检测软件可广泛使用[2]。此外，随着RINEX格式第三版或更新版本的出现，目前尚无一种数据质量检测软件可同时兼容RINEX格式第二版、第三版和四大导航卫星系统，不能很好地适应多导航卫星系统共存的现状，严重滞后于GNSS的发展，有关GNSS数据质量检测方面仍有很多问题需要进一步研究。

1.2 TEQC软件简介

TEQC（Translate，EditandQuality-Check）软件包，是由美国UNAVCOFacility公司专门为地学研究开发研制的软件。自1998年7月1日问世以来，已经过19次版本更新，是目前国际上应用最为广泛的数据质量检测软件，且其正确性和有效性已经得到一致认可。TEQC软件主要用于全球IGS连续运行站和区域连续运行站观测数据的检查和监控、连续运行站的站点勘选、大地测量控制网、工程测量控制网和GPS观测等领域的数据预处理与质量分析[3]。TEQC软件主要包括数据格式转换、数据编辑和数据质量检测三大功能，对于具体用户而言，其核心部分为数据质量检测（QC）功能模块。

虽然TEQC及其辅助绘图软件功能强大、应用广泛。但目前TEQC和一些第三方软件都是基于Matlab编写或在DOS环境下使用的，交互性、可视性比较差，操作不方便；软件输出的质量分析结果全部以文本文件的形式输出，没有结果的可视化和统计报表等功能；仅能对GPS和GLONASS数据进行质量检测，而对GALILEO和北斗系统不兼容，限制了多系统用户的使用等。

1.3 其他数据质量检测软件

除TEQC软件外，还有美国Trimble公司出品的TTC软件、徕卡公司的GNSSQC软件以及GPSTK、CLOCKPREP、CC2NONCC、GPSToolbox等。此外，还有德国法兰克福联邦测绘局研发的BNC实时数据处理软件、由日本学者高須知二和笠井晶二研发的

GPS/GNSS数据分析软件Gpstools、武汉大学测绘学院李冲研发的HGQCS1.0等[4]。

以上各GNSS数据质量检测软件，不论在交互性、可视性、结果统计、图形显示，以及处理RINEX第三版格式数据和兼容GLONASS、BDS和Galileo系统的数据方面，均存在着不足。

2 GNSS数据质量检测方法及框架设计

通过对GNSS观测数据结构、TEQC软件和标准RINEX格式的分析，从GPS/GLONASS和BDS数据质量检测方法入手，实现各功能模块，然后再统一整合。GNSS数据质量检测系统框架结构如图1所示。

图1 GNSS数据质量检测系统框架结构

2.1 GNSS数据质量检测方法

TEQC数据检测原理：TEQC可以检测双频GPS/GLNOASS 静态和动态的数据质量，其基本原理是通过对伪距和载波相位观测值线性组合的计算，得出L1、L2波段上的多路径效应，电离层对载波相位观测值的影响，电离层延迟的变化率，以及接收机的信噪比、钟漂、周跳等，并且给出多个质量检核文件。具体可参阅TEQC相关文献。

2.2 北斗数据质量检测方法

北斗观测数据的质量检查内容包括卫星信号信噪比、接收机周跳、电离层延迟，以及多路径影响等方面的信息，其中电离层延迟和多路径效应是影响观测数据质量的主要因素，对观测数据质量的影响较为明显[5]。质量检查算法流程如图2所示。

图2 北斗数据质量检测算法流程

1)周跳探测与修复。以下为利用多普勒观测值来进行周跳的探测与修复。利用多普勒值探测周跳的模型为：

式中，Bk为第k历元的载波相位观测值；Dk为第k历元的多普勒观测值;di为第k历元与第k-1历元之间的时间间隔；△N3为多普勒检验量。

2)电离层延迟。为提高电离层延迟改正精度，同时避免整周模糊度的求解问题，可采用载波相位平滑后的伪距作为伪距观测值，求解电离层延迟：

3)多路径效应。通过双频伪距观测值p1、p2，载波相位观测值B1、B2，可建立一个分析多路径效应的模型，从中可求得多路径误差指数MP1、MP2：

式中，P1、P2为伪距观测值；B1、B2载波相位观测

值；M1、M2。

3 GNSS数据质量检测功能实现

参照国内外GNSS数据处理软件的先进经验，一个好的GNSS观测数据质量检测软件应具有先进性、实用性、可靠性、界面友好、便于操作和能够扩充等特征。

3.1 软件的开发工具

根据GNSS观测数据质量检测系统的总体结构及其开发内容，本文采用VisualC++6.0开发平台作为开发工具，设计并实现GNSS数据质量检测分析软件GNSSData_Check。

3.2 软件实现的关键技术

1)对TEQC的调用、封装。TEQC实质上是一个可执行文件 （.exe文件），通过设置不同的参数，在DOS环境下可完成TEQC的数据质量检查、数据编辑、单点定位等功能。GNSSData_Check软件则采用进程Process类调用TEQC命令，对TEQC功能进行封装，后台完成GNSS数据的检查。由于内核不变，所以封装前后数据处理效果不变；且同样的命令只是增加小到可以忽略不计的进程间通信的时间，所以处理效率几乎不变。从而避免了中间诸多的步骤与设置[6]。

2)数据的封装。鉴于TEQC生成的PLOT文件格式的特点，软件采用二维数据表DataTable的结构存储卫星信息，一个观测文件对应一组二维表集合，利用数据库表的结构化语言简化数据的存储、查询、删除等操作；同时为了降低成本，省去连接数据库的耗费,程序采用离线数据集DataSet的形式组织数据表，在内存里直接处理数据，加快速度[7]。

3)数据质量检核结果的可视化表达。数据检核的目的是为了评价观测值文件的质量，以便对其进行编辑，删除质量不高的部分观测值。为了便捷、直观地分析观测值的质量，需将各种检核结果文件绘制成图像。GNSSData_Check软件采用微软Chart控件来实现对分析结果的可视化表达。

3.3 软件实现的功能

GNSS数据质量检测软件GNSSData_Check共有以下几个功能模块：

1)参数设置、数据读取；

2)质量检测信息显示；

3)多路径计算、信噪比计算；

4)电离层和电离层延迟计算；

5)检查结果统计报表和绘图查看。

系统主界面非常直观，由菜单栏、状态栏以及当前窗口组成。

打开主界面中“质量检查-配置”可进行如下参数设置，如下图3所示。选取“卫星视图”按钮，将出现该观测点位各时间内卫星数量情况。如图4所示。

图3 GNSSData_Check软件参数设置界面

图4 GNSSData_Check软件生成的卫星视图

选取“卫星信息”按钮，将出现该观测点位卫星的高度角、方位角、多路径和信噪比等信息情况。如图5所示。

图5 GNSSData_Check软件多路径效应图

4 软件测试结果及对比

为验证软件GNSSData_Check运行的功能及检测结果的可靠性。分别采用目前国际上应用最为广泛的数据质量检测软件TEQC(其正确性和有效性已经得到一致认可)、第三方软件QCVIEW32和Leica GNSSQC（因使用权限，无绘图）来进行对比。数据来源为某三级GNSS大地控制网实测的三组数据。

限于篇幅，下面仅给出一组(点453F)数据的质量检测核心指标检测结果和卫星高度角视图相互对比情况。比较结果见表1和图6、图7。

表1 三种软件检测结果对比

从表1可以看出，本软件GNSSData_Check同TEQC软件检测结果一样，同Leica质量检测软件稍有差异，这是由二者在检测算法上的差异所造成的。但考虑到软件TEQC的正确性和有效性已经得到一致认可，故认为本软件检测结果准确无误。同时，根据IGS跟踪站的数据统计及相关规范规定：三项指标的标准分别为MP1＜0.5，MP2＜0.75，0/slips＞100。说明三个点位的观测数据质量很好，符合规定要求。

图6 第三方软件QCVIEW生成的卫星高度图

图7 GNSSData_Check软件生成的卫星高度图

从图6、图7的绘图功能和效果可看出，GNSSData_Check软件同第三方软件QCVIEW的功能和效果基本相当，都能准确地反映出所表达的信息。但第三方软件QCVIEW是基于DOS操作系统，存在操作不便，生成图不便保存等问题。

5 结束语

本文在分析比较现有GNSS观测数据质量检测软件功能的基础上，对TEQC软件进行了Windows界面封装以及可视化，形成一套具备数据质量分析、报表输出、绘图功能操作简便的GPS/GLONASS观测数据质量检查软件，并对其可靠性进行了验证。特别是针对国内外对北斗观测数据所进行的质量检查研究工作还较少的实际，对BDS数据质量检测方法进行了研究。下一步计划对该软件进行完善和补充，使其能实现多模GNSS数据质量及新旧版本数据格式检测功能，以提高工作效率。

[1] 刘帅,孙付平,任雅奇.基于TEQC在GPS测量数据预处理中的应用分析[J].测绘技术装备,2011,13(4):9-10.

[2] 白征东,吴刚祥,任常.北斗观测数据的质量检查与分析[J].测绘通报,2014(6):10-11.

[3] 廖文兵，余红举，王斌，等.TEQC软件的应用与数据分析[J].空间地理信息,2012,10(4):76-77.

[4] 刘荟萃，唐歌实，崔红正，等.多模GNSS数据质量检测方法与软件研发[J].测绘与空间地理信息,2014,37(1):5-7.

[5] 苏行,何战科,孔垚等.北斗观测数据质量检测方法及其软件实现[J].时间频率学报,2014,37(4):235-236.

[6] 张显云，姚黔贵，张鹏飞，等.基于TEQC的GNSS数据质量可视化表达与分析[J].测绘通报,2014(4):27-28.

[7] 余文坤，戴吾蛟，杨哲.基于TEQC的GNSS数据质量分析及预处理软件的设计与实现[J].大地测量与地球动力学,2010,30(5):82-83.

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