基于Python 设计的TEQC 数据质量可视化分析软件

吴家杰，王挺，黄尔双

(江西省煤田地质局测绘大队，南昌 330001)

0 引 言

伴随全球卫星导航系统(GNSS)的快速发展与广泛应用，用户对GNSS 定位服务质量提出了更高的需求.但GNSS 定位服务的准确性、可靠性与可用性会受到GNSS 观测数据质量好坏的影响[1-2].通常在GNSS 观测数据使用前，需对观测数据进行质量评估和预处理，以消除或减弱各种误差因素的影响，进而提高GNSS 定位精度[3].目前工程应用上公认最为常用的GNSS 数据预处理软件，是由美国卫星导航系统与地壳变形观测研究大学联合体(UNAVCO Facility)开发的TEQC 软件[4-6].

TEQC 软件以质量检核功能为核心，包含数据格式转换、编辑等功能，可对GNSS 观测数据进行多角度全方位的质量评估与预处理.但TEQC 软件的可视化功能较为薄弱，不利于对观测数据质量的直观评估，需借助QCVIEW、CF2PS 和QC2SKY 等第三方绘图软件查看分析.上述绘图工具已不再支持TEQC 2013-03-15 之后版本生成的compact3 结果文件[7].为实现对更新的TEQC 软件处理结果可视化分析，许多学者进行了相关研究.文献[7]基于MATLAB GUI开发了一套适用于compact3 结果文件的可视化界面软件(TEQC Plot-View).文献[8]基于MATLAB 二次开发编制了teqcplot 部分程序模块，实现了对TEQC的图形显示与可视化查询.文献[3]基于MATLAB 对TEQC 绘图工具进行了二次开发，丰富了其图形显示功能，实现了可视化预处理分析.文献[9]基于C#语言开发了TeqcChart(V1.0)软件.文献[10]利用C#开发基于TEQC 的GPS 数据预处理工具箱.上述TEQC质量可视化脚本的改进，依托于MATLAB 和C#，但MATLAB 运行效率低，C#开发效率低且不利于后期维护和更新.目前，流行的Python 语言具有免费开源、开发效率高、代码简洁等特点，在一定程度上弥补了该不足.鉴于此，本文基于Python 语言对TEQC质量检核模块进行可视化软件设计，并结合实验数据对编写的软件性能进行测试.

1 TEQC 质量检核

质量检核模块是TEQC 软件的核心功能之一，其质量检核原理主要是利用GNSS 观测数据的伪距和载波相位信息进行线性组合，实现对GNSS 数据的信噪比(SNR)、多路径、电离层延迟和电离层延迟变化率等质量检核指标的分析[11].用户执行TEQC 质量检核功能后会生成多个质量检核结果文件.质量检核结果文件类型包含质量检核摘要文件、基础数据信息文件、质量检核指标结果文件，其文件数量取决于卫星信号频点总数.在众多质量检核文件之中，质量检核摘要文件的内容最为丰富，给出了观测历元、观测值统计、观测失锁统计、观测值删除统计、周跳比和多路径等数据质量指标值.因此，在进行GNSS 数据质量全面评估时，质量检核摘要文件是不可或缺的部分[12].

TEQC 软件实际上是一个可执行文件(exe 文件)，需在DOS 环境中设置不同参数指令，才可完成TEQC软件质量检核功能.质量检核模式依据质量检核指令中是否添加广播星历文件分为完整模式和轻量模式[7]，在广播星历缺省状态下，轻量模式只会生成部分质量检核结果文件(不包含高度角和方位角等信息文件).一般情况下，完整模式输出全部的质量检核结果文件，下文如不特别说明均采用完整模式解算.

随着TEQC 软件的持续改进，不同版本的质量检核指令存有微小差异，如更新日期在2013-11-13以上的TEQC 版本，在DOS 环境中输入teqc+qc+all+ssv−nav brdm1681.20L abmf1682_e.20O，默认仅生成1 个质量检核摘要文件.因此，需完全输出所有质量检核文件，应在+qc 指令后添加+plot 参数，相应的质量检核指令如下：

其中：+qc 为选择质量检核；+plot 为输出所有质量检核结果文件；+all 为添加所有观测类型数据；+ssv 为输出每个卫星的多路径值；−nav 为输入广播星历文件，多个广播星历文件可并行输入.

完整模式下生成的质量检核结果文件类型如表1 所示.

表1 完整模式下质量检核结果文件类型

长期以来，TEQC 软件质量检核模块只支持GPS 和GLONASS 双系统数据，对北斗卫星导航系统(BDS)和GALIEO 观测数据不兼容.但随着TEQC软件的持续优化，TEQC 2019-02-12 版本已提供BDS和GALIEO 数据接口，可以进行相应系统数据的质量检核操作[13].

2 基于Python 的TEQC质量可视化设计

鉴于TEQC 质量检核可视化功能相对欠缺，本文利用Python 语言对TEQC 质量检核结果文件进行了界面化设计与封装处理，编写了一款TEQC 质量检核的可视化软件TPP(TEQC Plot of Pyhone).该软件包含数据导入、质量检核、参数选择、绘图和保存等5 个模块.其中，绘图模块是核心，参数选择模块的参数选项可根据用户需求灵活设置，涵盖卫星数目限定与卫星选定，可随机进行组合，查看需求卫星的数据质量检核指标情况，以满足精密单点定位(PPP)的数据质量标准.TPP 软件结构具体流程如图1 所示.

图1 TPP 软件结构图

绘图模块作为TPP 软件核心，其可依据质量检核模块输出的结果文件，分别绘制极坐标天空图、卫星观测序列图和高度角时间序列图、参数时间序列图以及质量检核指标参数时间序列图(包括SNR、多路径和电离层延迟等).但由于单个图形间相互对比性较差，难以充分显示不同质量检核指标相关性.因此，TPP 将极坐标天空图、卫星观测序列图和高度角时间序列图作为底图形式叠加SNR、多路径和电离层延迟等质量检核信息，可进一步分析高度角、方位角和观测时段与检核质量指标各因素间的相关关系；同时增设了质量摘要信息显示功能，通过质量摘要信息与绘图模块的联合分析，用户能够综合判别每颗卫星的数据质量好坏，利于后期的数据预处理，剔除出部分质量较差的卫星观测信息，从而提高基线解算的质量.图2 为TPP 主体界面.

图2 TPP 主体界面

TPP 还可限制观测时段，解析不同观测时段下的卫星数目与质量检核情况，将普遍质量偏差的时段进行切割处理.其次，TEQC 封装于TPP 之中，通过独立线程在后台运行，减免了用户牢记TEQC 复杂检核指令，减轻了底层数据处理重复性.

3 TPP 软件性能测试

为测试TPP 软件性能稳定性和验证TEQC 针对GALILEO 系统的质量分析情况，本文选取了MGEX(Multi-GNSS Experiment)基准站ABMF 站2020 年6 月16 日全天的GAILIEO 卫星观测数据，作为软件性能测试的实验数据.并通过TPP 软件对GAILIEO卫星E6 频点上的观测数据质量检核结果进行可视化测试分析.

3.1 质量检核摘要显示测试

TEQC 的质量检核模式会生成两种用户所需要的质量检核结果(质量检核摘要、质量检核指标).质量检核摘要文件主要是记录卫星系统质量评估汇总结果，而质量检核指标结果文件更多地是记录每颗卫星的质量检核指标在不同时段、方位角及高度角的详细信息.通过两者的相互补充，可实现对GNSS 观测数据的总体质量评估，质量检核摘要界面如图3 所示.

图3 质量检核摘要显示界面

3.2 极坐标天空图测试

极坐标天空图主要包含两种卫星位置信息因素：1)高度角；2)方位角.依据两种因素变化趋势，可给出卫星信号的运行轨迹.同时极坐标天空图还可添加质量检核指标信息于卫星轨迹之上，利于从空间角度解析质量检核指标的变化情况.

图4 为GALILEO 卫星的高度角与方位角的变化情况.由图4 可知，ABMF 站的观测数据总计接收到22 颗GALILEO 卫星数据，表明ABMF 站GALILEO信号较为良好.

图4 GALILEO 卫星极坐标天空图

图5 给出了GALILEO 卫星的E6 频点上SNR 的变化情况.由图5 可知，E6 频点SNR 值基本稳定在30～55 dB-Hz，表明ABMF 站的观测位置条件良好，并未受到太多遮挡物干扰.此外，GALILEO 卫星E6频点低SNR 数值集中于高度角10°～20°，后续对GALILEO 观测数据进行预处理时，可通过限制高度角范围，剔除质量较差的观测信息，以保证定位精度.

图5 GALILEO 卫星E6 频点上SNR 极坐标天空图

3.3 卫星观测序列图测试

卫星观测序列图是依据不同观测时段下卫星的可见性绘制而成，用户可了解每颗卫星信号的接收与结束时段信息.通过质量检核指标的叠加显示，质量检核信息被有序的分布在每颗可见卫星上，利于从时间角度解析不同卫星质量检核指标在观测时段的变化情况.

图6 为GALILEO 卫星在2020 年6 月16 日的全天卫星可见性情况.由图6 可知，多数GALILEO 卫星的观测时段大于9 h，仅有少数可视卫星E33、E19和E12 的观测时段相对较短.

图6 GALILEO 卫星观测序列图

图7 为GALILEO 卫星 E6 频点上多路径值与可见性之间的关系情况.由图7 可知多路径值与可见性并未存在关联.但在接收机开始与停止接收卫星信号的前后时段，多路径值较大.因此，可利用TEQC 软件的数据预处理功能，将多路径效应严重的时段进行剔除，以保证GNSS 数据质量.

图7 GALILEO 卫星E6 频点上多路径观测序列图

3.4 高度角时间序列图测试

高度角时间序列图是反映的不同历元下卫星高度角的变化情况，用户可从时空角度去判别质量检核指标的变化情况.

图8 与图9 中分别给出了GALILEO 卫星高度角和E6 频点上电离层延迟的变化情况，由图8 和图9可知，电离层延迟与高度角存有一定关联性，电离层误差是由电离层效应引起的观测值误差，其存在一定正负值[14].伴随高度角的增加，电离层延迟逐渐减小，反之亦然.

图8 GALILEO 卫星高度角时间序列图

图9 GALILEO 卫星E6 频点上电离层延迟随高度角变化信息图

3.5 质量检核指标参数时间序列图测试

指标参数时间序列图是质量检核指标随时间的变化关系，用于分析各项质量指标的变化情况.为验证单颗卫星质量可视化效果，结合图6 本文选取了观测时段较长的E03 卫星的观测数据进行分析.

图10 为E03 卫星在E6 频点上质量检核指标随时间的变化关系.由图10 可知，E03 共有04:00—14:00 与15:00—20:00 两个观测时段，其对应的质量检核指标波动存有差异.04:00—14:00 时段仅在开始与结束时出现较大波动，而15:00—20:00整时段波动性都较大.结合高度角信息可知高度角越大的区间，质量检核指标波动较小.上述实验证实了SNR 与高度角成正比[15-16]、多路径值与高度角成反比[17]以及电离层延迟与高度角成反比[18]等相关结论.

图10 E03 卫星E6 频点上质量检核指标参数时间序列图

4 结束语

针对TEQC 2013-03-15 以后版本生成的质量检核结果文件，难以采用现有的软件对其可视化表达，不利于准确可靠的数据预处理这一问题.本文利用Python语言对TEQC 的质量检核模块进行了可视化设计，编写了一款TPP 质量可视化软件，并采用实测数据进行软件性能测试，得出以下三点结论：

1) TPP 质量可视化软件可对单颗卫星以及多颗卫星不同观测时段下数据进行质量检核结果的可视化分析，输出的可视化图形较为丰富，能较为直观反映出该系统下每颗卫星的质量状况；

2) TPP 质量可视化软件设置了质量检核摘要和质量检核指标的双重判别模式，增强了用户对于整体与局部卫星观测数据质量的判断；

3) TPP 质量可视化软件结合TEQC 软件的文件切割与合并、卫星系统的选择以及特定卫星的禁用等功能，可提取有效的GNSS 观测数据信息，为后续GNSS 高精度数据处理做准备.