TEQC结合RTKLIB软件检核GPS观测数据质量

龚真春,赵龙海,林成寿,刘存敏,陈战勇

(1.解放军61287部队,甘肃 兰州 730020;2.兰州市榆中县测绘室, 甘肃 兰州 730100)

0 引 言

随着中国北斗卫星导航系统(BDS)的正式运行和全球组网的加快推进,全球卫星导航系统(GNSS)已进入了多系统并存的局面,为提升定位精度、可靠性、时效性和连续性提供了新的技术支持。GNSS原始观测数据质量直接关系到导航定位授时的精度和可靠性,对其质量进行分析和评估是应用中的一项非常重要的基础工作。因此,如何快速、准确地对多模多系统GNSS原始观测值质量进行检测与评估再次成为众多学者研究的热点。如文献[1]基于Anubis软件扩展了北斗导航系统新频点新信号数据处理功能,封装了界面可视化以及质量检核结果的可视化输出,实现了对四大系统(GPS/BDS/GLONASS/Galileo)的数据质量检核。文献[2]针对新一代RINEX格式的GNSS数据,开发了与TEQC数据质量检测功能相近的软件QC,并对其正确性进行了验证。文献[3]设计并实现北斗数据质量分析软件,具有检核多路径误差、周跳、信噪比、数据可用率和电离层延迟等信息的功能。

本文以GNSS原始观测数据为对象,阐述了GNSS数据质量检核方法、流程及评价指标.介绍了RTKLIB软件在GNSS观测数据质量检测方面的功能,用GPS实测数据对二者进行了对比验证,指出了各自的优势与不足.将二者结合起来进行观测数据质量检测与分析,能取得很好的效果.

1GNSS数据质量检核方法及评价指标

关于GNSS观测数据质量检核与评估,文献[4]归纳有两种方法:① 利用专门GNSS数据质量分析软件进行质量检核;② 利用GNSS 数据解算软件得出的基线解进行分析.文献[5]指出可通过无几何(Geometry-free)方法和几何(Geometry-based)方法来实现.实践中大多采用专门数据质量分析软件,如TEQC软件、德国地学中心研发的GFZRNX软件、GNSS Data Center(GDC)开发的BNC软件、Leica公司的GNSS QC、南方测绘公司研制的DataQC2.0和中海达公司的HGO数据处理软件包等[6].

1.1 观测数据质量检核原理及流程

GNSS卫星信号从产生、传播到接收的整个环节不可避免地会受到卫星健康状况、接收设备、传播路径、观测环境等因素的影响.质量检核一般是指对多路径效应、信噪比、电离层延迟等参数进行检查[7].其处理流程如图1所示.

1.2 评价指标

GNSS数据质量评价指标较多,而过多的指标并不能给GNSS高精度定位提供有效的信息[8].IGS、《中国地壳运动观测技术规程》、《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314-2009)一般采用4项指标:观测数据利用率(effective)、周跳比(o/slps)、伪距多路径效应MP1和MP2.其中，观测数据利用率反映的是数据可用性与完好性,比值越大,说明数据质量越好,是衡量数据质量的重要指标；周跳比(o/slps)能够反映载波相位观测值的跳变情况,其值越大,说明出现的周跳越少,数据质量越好，一般用另一种较为直观的值表示,即每千历元的周跳数(CRS)来表示,计算公式见式(1)；多路径效应MP1和MP2对观测数据质量影响最严重,是衡量数据质量一项非常重要的指标,计算公式见式(2).

(1)

(2)

2 TEQC及RTKLIB简介

2.1 TEQC及辅助绘图软件QCVIEW

TEQC(Translation Editing and Quality Checking)是目前国际公认和广泛应用的GPS观测数据预处理软件,可以免费下载,主要有数据格式转换、编辑和质量检测三大功能[9].数据质量检测(QC)是TEQC的核心功能,但只能对RINEX2.11或更早版本的GPS/GLONASS的观测数据进行质量分析,不能对BDS/GALILEO的观测数据进行分析,且运行于Unix、Linux、MacOS 以及Windows的DOS等系统界面中,操作不方便、交互性差,需借助第三方软件(QCVIEW、CF2PS和QC2SKY等)来完成绘图.针对以上TEQC软件的不足,国内众多的专家学者以及用户对其进行了研究和改进[10].

TEQC用于数据质量检测有qc2lite和qc2full两种方式.qc2lite方式仅对RINEX格式的观测数据文件(o文件)进行检测;qc2full 方式包含RINEX格式的观测数据文件(o文件)和导航数据文件(n文件).本文采用第二种检核方式,如将JC023240.16o文件和JC023240.16n文件置于同一目录下,在DOS环境下运行:>teqc+qc JC023240.16o,将会生成以下9个文件.如表1所示.

检核结果统计摘要(**.16s)文件是质量检查结果的核心部分,观测人员主要通过该文件来分析和评估GPS观测数据的质量.

表1 TEQC质量检核生成的文件及含义

QCVIEW或QCVIEW32辅助绘图软件运行于DOS环境.以Win7操作系统为例,安装DOSBox0.74模拟器后,将DOS4GW.EXE、QCVIEW连同检查生成的文件置于同一目录下,可绘制生成(s文件除外) 8个文件的可视化图形,但不能对卫星可见性、卫星天空视图、DOP值进行绘图和点位定位精度分析.如要生成JC023240.mp1文件的绘图,则在DOS界面下执行:>QCVIEW32 JC023240.mp1命令,便可生成多路径效应MP1的图形.

2.2 RTKLIB软件

RTKLIB是日本东京海洋大学高须知二开发的开源程序包,由一个便携式程序库和多个应用程序工具库组成,支持多个GNSS系统的标准和精密定位算法以及多种GNSS标准格式和协议等[11-12].目前RTKLIB软件的最新版本为V2.4.3,其所有源代码公开、便于学习研究和算法测试,界面友好、操作简洁、图形输出功能强大.

本文主要介绍RTKLIB软件在GNSS观测数据质量分析方面的功能.执行程序中的rtklaunch.exe 应用程序启动器,生成如图2的界面.

运行“bin tkplot.exe”观测数据质量分析及可视化应用程序,导入GNSS观测文件(o文件)和导航文件(n文件),即可完成对观测数据的检查、定位精度分析、卫星可见性、卫星天空视图、DOP值、多路径效应及卫星高度角进行图形化显示,但不能对卫星方位角(**.azi)、电离层延迟误差(**.ion) 和电离层延迟变化率(**. iod)进行绘图.

3 实例验证及对比分析

文献[13]利用TEQC和RTKLIB软件对某地区监测点的GPS观测数据质量评价指标MP1、MP2和o/slps进行了统计,绘制并分析了点位定位精度、卫星可见性、卫星天空视图、DOP值、多路径效应等,但未统计观测数据利用率以及对二者的检核结果、绘图方面未做进一步的分析与对比.

本文围绕2016年某工程实测GPS观测数据,其数据格式为RINEX2.10,观测数据和导航数据为JC023240.16o、JC023240.16n.依据前文所述,对TEQC及其绘图软件QCVIEW32同RTKLIB软件在4项核心评价指标、绘图功能方面做一对比分析.

3.1 观测数据质量评价指标结果对比

为做全面的对比分析,TEQC按 qc2full 方式输入命令:c: eqc>teqc+qc JC023240.16o,得到表1所示的9 个文件和4个评价指标值,如图3所示.更为详细的观测信息和检核结果可从结果统计摘要文件JC023240.16s中获取,如图4所示.

在RTKLIB软件中运行rtkplot.exe应用程序,打开观测数据文件JC023240.16o、和导航文件JC023240.16n,进入菜单 “Edit”并单击“Obs Data QC…”,则检核结果如图5所示.

由图3、图4和图5可知,二者的4个评价指标结果完全一致.观测数据利用率为87%,周跳比为808、CRS=1.24,MP1=0.32 m、MP2=0.34 m.该结果符合IGS数据质量检测统计结果: 超过半数的 IGS站的CRS年平均值小于5,2/3以上的CRS平均值在10 以下;2/3 的IGS站的MP1平均值小于0.5 m,而2/3的MP2平均值小于0.75 m.同时符合《中国地壳运动观测技术规程》规定:“对基准站高度角在 10°以上的观测量中有效观测量应不小于85%,测距观测质量MP1和MP2应小于0.5 m”;“区域站有效时段数据的有效率不低于 80%”.参照以上标准,说明该测站“JC02”观测数据质量良好可用.

3.2 QCVIEW32同RTKPLOT绘图结果对比

如前文所述,QCVIEW32可绘制生成(s文件除外) 8个文件的可视化图形,无卫星可见性、卫星天空视图、DOP值图和定位精度分析;而RTKPLOT不能对电离层延迟误差、电离层延迟变化率和卫星方位角进行绘图.因此,限于篇幅,这里给出其生成的电离层延迟误差图、多路径效应MP2图;给出RTKPLOT生成的多路径效应MP2图、卫星可见性、卫星天空视图、DOP值图和定位误差图.并据此对观测数据质量、观测环境等做进一步的分析.

1) QCVIEW32生成电离层延迟误差和多路径效应MP2图.如图6、图7所示.

由图6可知,点位JC02在观测历元500和600～700、1100～1200内,电离层延迟误差发生了较大的变化.

2) RTKPLOT生成的多路径效应MP2、信噪比、卫星高度角图.如图8所示.

对比图7、图8可看出,二者MP2绘图效果一样,均反映出多路径效应MP2呈波浪式推进,其值在2 m范围内波动,个别时间内发生较大变化,但均值符合规范要求;卫星高度角整体在15°以上,说明测站周围遮挡物少.

3) RTKPLOT生成的卫星可见性、卫星天空视图、DOP值图和定位误差图.如图9、图10、图11和图12所示.

由图9、图10可看出,点位JC02在观测时段内可见卫星数达到了17颗,共视卫星数量均在6颗以上,高度角均在15°以上;除卫星G05、G06和G30在点位东部接收信号较差外(图10中虚线表示卫星失锁),大部分接收卫星信号良好.

由图11可知,几何精度衰减因子(GDOP)、位置精度衰减因子(PDOP)分别为3.1 mm和2.6 mm,在极少数时间段内存在突变情况,个别时间段内误差较大;垂直精度衰减因子(VDOP)为2.3 mm,同样在个别时间段内误差较大;水平精度衰减因子(HDOP)为1.2 mm,大部分时间段内在2.0 mm浮动,低于其它精度因子值.

由图12可知,点位JC02的定位位置随时间变化,三维坐标分量误差AVE为±0.0000 m.各方向的标准差(STD)和RMS两个指标可以反映坐标三维分量的观测精度,其中东西方向误差最小,垂直方向误差最大.

4 结束语

综上所述,TEQC和RTKLIB软件在GPS观测数据质量检核方面的功能各有优势和不足.为对GPS观测数据进行全面、直观地分析,实际工作中可将二者结合起来应用.此外,随着多卫星导航系统，特别是我国北斗卫星导航系统的快速发展,现有的GNSS观测数据质量检测和分析软件难以满足实际应用的需求,急需开发一款兼容性强、界面友好、功能齐全、结果可靠以及可扩展的观测数据质量分析软件,为GNSS的应用发展提供技术支撑.