TEQC数据质量可视化分析软件设计与应用

卢立果,吴彬,赵宝贵,胡伟建,徐兆祥,陈荣清

(1. 东华理工大学 测绘工程学院,江西 南昌 330013; 2. 西安测绘研究所, 陕西 西安 710054; 3. 地理信息工程国家重点实验室, 陕西 西安 710054; 4. 长沙市规划勘测设计研究院, 湖南 长沙 410000)

0 引 言

观测值数据质量是全球卫星导航系统(GNSS)定位精度和可靠性的重要保证,因此如何从观测数据中去除一些质量较差的数据成为提高卫星定位精度的首要考虑问题[1-2]．出于数据优化的目的,需要运用GNSS数据预处理软件对卫星观测数据进行分析和处理．在全球众多款数据预处理软件中,主流用于卫星导航系统观测数据进行编辑和质量检查的是一款由UNAVCO Facility 开发的TEQC软件．其中,数据质量检查功能是TEQC软件的核心部分,可用于检查接收机的动态和静态数据质量[3-6]．

利用TEQC软件对卫星静态观测数据进行完整模式的质量检查,在完成数据质量检核操作后,存在TEQC软件生成的绘图结果文件仅能以文本文件形式输出的问题[7]．以往通常借助QCVIEW[8]、CF2PS[9]、QC2SKY[10]这三款国际上公开的软件进行可视化,但随着TEQC软件版本的更新,原有公开软件已无法处理新生成的compact 3格式的绘图结果文件．鉴于此,本文基于MATLAB GUI对TEQC绘图工具进行再设计,开发了一套适用于compact 3结果文件的可视化界面软件,实现GNSS数据质量可视化分析．

1 数据质量预处理

1.1 格式转换

TEQC预处理软件暂时仅能处理RINEX 2.11以下格式GNSS观测数据、导航数据和气象数据,而现今国际上已推广使用新的标准文件格式——RINEX 3.X,并且有些原始数据(如BDS数据)并不能被接收机的随机软件直接转换成RINEX 2格式,所以针对RENEX 3以上格式数据,本文则采用GFZRNX软件对数据文件格式进行转换．

GFZRNX可以帮助用户实现RINEX 2与3版本格式之间的转换．使用GFZRNX程序格式转换功能时, 只需在操作命令中使用-vo 参数． 其输入值被限制为2或3, 代表输出数据的RINEX格式版本[11]．

以HKLM站点于2019年2月1日的观测数据为例,其原始数据为RINEX 3.02．下面的命令将其格式转化为RINEX 2:

gfzrnx -finp hklm0320.19o -vo 2> hklm0321. 19o

转化广播星历文件:

gfzrnx -finp hklm0320.19n -vo 2> hklm0321. 19n

转换气象数据文件:

gfzrnx -finp hklm0320.19m -vo 2> hklm0321. 19m

1.2 质量检核

使用TEQC程序的数据质量检核功能需在执行命令行中添加一个+qc参数．TEQC的质量分析模式分为两种——完整模式(full)和轻量模式(lite),在使用完整模式的质量检查时,需引入同时段(或相近时段)的卫星星历文件．若需要其他质量输出文件,可以在执行质量检查时再添加一个+plot参数加在+qc后面[12]．例如,下面的命令将检查HKLM测站在2019年2月1日的观测文件,其星历文件使用hklm0320.19n和hklm0320.19g:

teqc+qc+plot -nav hklm0320.19n hklm0320.19g hklm0321. 19o

若观测文件所在目录中存在相同测站的星历文件时,-nav参数可以省略:

teqc+qc+plot hklm0320.19o

此时,TEQC程序将检查当前目录或观测文件所在目录下是否存在与测站同名的导航文件:hklm0320.19n或hklm0320.19g(当包含GLONASS卫星的观测值时)．若可以找到该文件,则采用full模式进行质量检查,否则采用lite模式．

需要说明的是,新版本的TEQC增加了对北斗卫星导航系统(BDS)数据的质量检查功能,用户若要处理BDS数据,需要在TEQC程序下添加+relax 或+extend 参数．

在full模式下质量检核的结果为至少8个绘图结果文件和1个质量汇总文件．对于质量汇总文件****.S,多路径观测误差、电离层延迟误差、电离层延迟变化率,以及接收机信号的抖动、L1和L2载波的周跳、卫星的高度角和方位角、信噪比等参数均输出在S文件中[13-14]．通常,结合这些参数能够充分快速评定所观测点位置的定位数据质量．部分结果文件类型说明如表1所示．

2 绘图文件格式分析

伴随TEQC软件质量检核模块不断更新以及卫星信号频率不断增加,质量检核后生成的绘图结果文件类型发生了变化,其数据格式也与之前有所不同,从原来的compact格式转变为现在的compact 3 格式．表2示出了不同数据压缩格式绘图文件头的差异.

表2 绘图文件头的差异性

通过表2可以发现，compact 3格式的第一行没有改变,但第三行的内容较compact 2有明显的区别[15]．compact 3格式主要是把起始历元时间前置,并将时间间隔与卫星号置放于卫星数据的模块中,可容易识别出任一卫星的观测数据位置．

3 TEQCplot View的软件设计

由于TEQC分析得到的结果文件无法可视化,难以满足实际应用的需求,因此需要相应的可视化软件实现结果文件的可视化[15-16]．QCVIEW等软件虽然可以实现绘图功能,但只能对compact格式文件进行绘图,无法满足对新版TEQC软件生成的compact 3格式结果文件绘图的需求．因此,本文基于MATLAB GUI开发了一套适用于compact 3结果文件的可视化界面软件(TEQCplot View)．图1为TEQCplot View软件功能结构图．

图1 TEQCplot View软件功能结构图

绘图模块分为两个部分:第一部分是单系统数据质量可视化;第二部分是多系统色带图绘制．

第一部分是基于单卫星系统数据开发的,所以在进行卫星数据质量检核操作之前需调用TEQC进行保留单星座数据的预处理．单系统数据质量可视化模块有统计卫星颗数的功能,对卫星号从小到大排序,帮助用户快速实现对想要分析卫星号的寻找,简化操作以便捷实现对电离层延迟、电离层延迟变化率、多路径效应和信噪比等参数结果文件的绘图分析;并增加了参数与高度角的相关分析图,可以直观地反映参数数值随卫星高度角的变化,以满足用户对结果文件更多的分析需求．图2为单系统数据质量可视化界面图．

图2 单系统数据质量可视化界面

第二部分中,用户可以选择单系统或多系统绘图结果文件,该模块将对文件数据信息进行读取并绘图,包括高度角、方位角、电离层延迟变化率、多路径、信噪比等时间序列色带图．通过对参数值大小按色带颜色的渐变进行划分,用户可以清楚地看出参数值的变化情况,并评判各卫星数据质量的好坏,进而判断是否剔除该星的数据,从而保证基线解算和网平差时能够使用质量良好的观测数据．

4 TEQCplot View的软件性能测试

在TEQCplot View软件性能分析中,本文利用TEQC质量检核所得结果文件对绘图模块两个部分分别进行可视化功能测试．

4.1 单系统数据质量可视化功能测试

第一部分中包含一个子模块——单星座多卫星综合图,多卫星综合可视化模块主要是针对单系统的整体分析,反映单系统对相应位置的一个总体数据质量情况．以HKLM测站2019年2月10日GPS观测数据为例,图3为单星座多卫星综合质量分析图．

图3 单星座多卫星综合质量分析图

在绘制的多卫星综合图线条过于密集的情况下,本软件对各卫星数据质量的细节分析无法进行,所以第一部分主要对单卫星的数据质量进行分析．选取2019年2月10日G27号卫星m21、sn5结果如图4、5所示.

从图4和图5上可查验在各个时间多路径效应值和信噪比值的大小,同时可得到“多路径与卫星高度角有关,卫星高度角越高,多路径效应影响越小”以及“信噪比与高度角成正相关”的结论[17-18]．

下面分别导出G27号卫星m21、sn5时间序列细部图．图6是G27号卫星L2频段多路径误差时间序列图,图7是G27号卫星L5频段信噪比时间序列图．其中X轴表示所对应卫星观测时间序列,Y轴表示随时间变化相应指标参数值大小．

图4 G27卫星L2频段多路径效应分析图

图5 G27卫星L5频段信噪比分析图

图6 G27卫星m21时间序列图

图7 G27卫星sn5时间序列图

通过对图6的分析,可以发现在5：45—7：00和10：45—12：00这两个时段的多路径效应不稳定,多路径误差值多数大于0.65 m,尤其在6：00左右L2频段多路径误差值达到最大,接近3 m．因此,可以利用RINEX文件切割功能,将G27号卫星多路径效应严重的时段删除,以改善观测数据质量．通过对图7的分析,可以看出从6：00—11：30时段L5频段信噪比值多数大于40 dB,且最高可达56 dB,说明目标位置观测条件良好,遮挡较少,接收机接收到的G27号卫星信号较强．

4.2 多系统色带图绘制功能测试

选取HKLM测站2019年2月7日BDS观测数据,图8和图9为卫星高度角、方位角变化图．通过图8和图9可以发现,TEQCplot View绘制的色带图可以直观地看出任意时刻的所有可见卫星,反映数据完整率信息;同时还可知道任一卫星随时间变化的方位角和高度角情况．由图8分析可知,C12号、C26号卫星观测时间较短,其数据可用性较差,将会使得数据完整率降低;此外,虽然C20号和C28号卫星观测时间相对较长,但C20号卫星在07:30—11:00的观测时段以及C28号卫星在00:00—03:00的观测时段所处的高度角均低于10°,说明上述两颗卫星的观测条件不佳．因此,在以上分析的基础上,对BDS观测文件进行TEQC编辑处理．首先将HKLM测站上的C12号、C20号、C26号和C28号卫星的观测值和导航信息删除,输入指令:>teqc+extend-C12,20,26,28 hklm0382.19o> hklm0383.19o及>teqc-C12,20,26,28 hklm0382.19c> hklm0383.19c;然后对处理所生成的观测文件hklm0383.19o重新进行full模式的质量检查,得到处理后卫星高度角变化图如图10所示．从图中可以看到,通过对TEQCplot View软件生成的可视化结果进行判读,起到了辅助TEQC软件数据编辑功能的作用,从而改善了卫星数据的质量．

图8 卫星高度角变化图

图9 卫星方位角变化图

图10 处理后卫星高度角变化图

5 结束语

本文从导航卫星数据质量分析的实际需求出发,设计了一款针对TEQC结果文件更为方便的可视化软件,实现了对卫星数据质量的可视化展示．并通过对软件的性能测试以及绘图结果的分析,得到以下三点结论:

1) 实测数据验证结果表明,TEQCplot View能够较好地实现对TEQC 2013.3.15及以上版本生成的compact 3结果文件的绘图功能,且操作简单、界面简洁直观,可实现GNSS数据质量可视化分析;

2) TEQCplot View可进行单系统数据质量可视化和多系统色带图绘制操作,结果文件图形显示功能丰富,能够满足用户对不同结果文件的分析需求;

3) 对TEQCplot View软件生成的可视化结果进行判读可以有效地辅助TEQC软件的数据编辑功能,例如RINEX文件的切割与合并功能、卫星系统的选择以及特定卫星的禁用功能等,使得TEQC能在数据编辑时充分发挥其改善数据质量的作用．