基于TEQC的GNSS数据质量分析及预处理软件的设计与实现＊

余文坤 戴吾蛟 杨 哲

(1)中南大学测绘与国土信息工程系,长沙 410083 2)湖南省精密工程测量与形变灾害监测重点实验室,长沙 410083)

基于TEQC的GNSS数据质量分析及预处理软件的设计与实现＊

余文坤1,2)戴吾蛟1,2)杨 哲1)

(1)中南大学测绘与国土信息工程系,长沙 410083 2)湖南省精密工程测量与形变灾害监测重点实验室,长沙 410083)

TEQC是基于DOS系统的,操作不便。此外,TEQC没有实现质量分析结果的可视化和统计报表等功能,在数据预处理方面也只有简单的数据编辑功能,无法根据数据质量检核的结果进行深入的处理。为此,运用Visual Basic.NET对 TEQC进行W indows可视化界面封装,并扩充了数据质量检核结果的可视化、统计报表以及高质量数据筛选预处理等功能。

TEQC(Translation,Editing and Quality Checking);GNSS;VB.NET;数据预处理;质量分析

1 引言

数据质量是 GNSS定位的精度和可靠性的保障,它受卫星健康状况、接收机、天线、观测环境等诸多因素的影响。判定接收机硬件和观测环境是否满足实际要求,其关键是如何检根据实测数据进行质量评价。从实际观测数据中剔除那些质量较差的数据则是 GNSS数据预处理的关键。TEQC(Translation,Editing and Quality Checking)是一款由 UNAVCO组织开发的,以 GNSS数据质量检核为核心,并具有数据格式转换和数据编辑功能的优秀软件。它根据伪距观测值和载波相位观测值的线性组合来进行GNSS数据中的误差估计,可以反映出 GNSS数据的电离层延迟、多路径影响、周跳、卫星信号信噪比等信息。虽然该软件已广泛用于连续运行参考站选址及其他应用领域的数据质量分析[1],但目前它仍然是DOS系统环境的命令式软件,一般用户很难掌握其操作[2]。此外,该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。对此,也有一些第三方软件(如 TEQCSPEC、TEQCPlot、QCV IEW等),然而这些软件都是用Matlab编写或仍然在 DOS环境下使用的[3]。在数据预处理方面 TEQC也只有简单的数据编辑功能,而不能根据数据质量检核的结果进行深入处理,即剔除那些质量较差的数据,以增强数据的可用性。为此,本文根据软件工程的思想,以 TEQC为数据处理的核心引擎,利用 Visual Basic.net 2005对 GNSS数据质量分析及预处理软件进行设计开发。

2 软件设计

2.1 系统分析

2.1.1 功能需求分析

根据 TEQC的不足,软件需具备以下功能：1)在W indows环境及可视化界面下,实现封装 TEQC的 3大基本功能;2)根据 TEQC质量检核的结果文件绘制各种反应数据质量的图形,并进行统计生成报表; 3)根据预先设定数据质量指标的限值,自动剔除质量较差的数据,以达到单站数据预处理的功能。

2.1.2 数据分析

经过 TEQC的数据质量检核(QC)处理后将产生 8个单项结果文件 (高度角、方位角、L1多路径、L2多路径、L1信噪比、L2信噪比、电离层延迟、电离层延迟变化率)和一个详细的汇总文件 (S文件),其中单项结果文件有统一的格式,汇总文件 (S文件)是 TEQC产生的反映数据质量一个很重要的文件,主要包括观测历元事件表、QC设置参数、站点的汇总信息和各个卫星的具体统计信息 4个部分[2]。多路径效应(MP1、MP2)与O/slps(观测值总数数与发生周跳观测值个数之比)是 TEQC数据质量检核的主要指标,其中多路径效应检核原理是根据伪距观测值和载波相位观测值的线性组合来进行估计：

其中、M P1、M P2分别表示L1、L2载波上的多路径效应对伪距和相位影响的综合指标;P是双频伪距观测值;Φ为相位观测值;α=f为载波频率。

系统的数据流如图 1所示,初始输入数据为双频观测文件和对应的导航文件,经 TEQC数据检核后产生 9个质量检核文件,然后对质量检核文件进行统计与分析,结合用户选择的需求输出各种报表与图形。数据的预处理则需要根据质量分析结果,对原输入的观测文件进行自动剔除质量较差的数据,从而得到一个新的具有较高质量的观测数据文件。

图1 数据流程图Fig.1 Flow chart of data

2.2 系统设计

2.2.1 系统框架结构设计

质量检核模块以绘图和统计报表为主要功能,通过相应的输出为用户提供分析所需资料并采取合适的预处理设置;数据预处理模块涉及 Rinex文件编辑和数据过滤,通过剔除不良记录提高数据质量;格式转换模块可将来自不同产家接收机的原始数据或 Rinex文件在各种格式间进行转换。3个功能模块使用管道技术实现与封装 TEQC之间的通信。软件力求各模块规模适当,封装性好,信息隐蔽、一致,模块之间的调用合理,耦合小,且内聚度高。

图2 系统框架设计Fig.2 Design of system frame

2.2.2 主要类设计

系统的核心类有 4个,分别是 cls W in_TEQC、cls W in_Data、clsPlot和 cls DataEditer。其中 cls W in_ TEQC为基类,数据封装类 cls W in_Data继承基类后存储文件的所有内容,再派生出绘图类 clsPlot和数据编辑类 cls DataEditer。绘图类 clsPlot具有绘制多路径(共 3种形式)、信噪比、周跳、电离层延迟,电离层延迟变化率、高度角、方位角等图形的方法; cls DataEditer用于数据预处理,包括文件头信息编辑、剔除超限的质量差的观测数据、数据分割等。

3 软件实现关键技术

3.1 使用进程 Process类封装 TEQC及关键代码

程序使用进程 Process类连接 CMD.EXE建立DOS环境,在 DOS环境下运行 TEQC.EXE,再利用管道技术进行命令控制和数据流重导向,并且利用循环访问文件出现访问错误来判断数据输出结束,从而实现在W I NDOWS下的 TEQC的封装。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。

图3 软件包的处理流程图Fig.3 Flow chart of pack processing

关键代码：

3.2 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(其表结构如表 1所示),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。

表 1 二维表形式的数据存储结构Tab.1 Data storage structure in the form of two-dimensional table

3.3 高质量数据的自动提取

高质量数据自动提取的实质即根据数据质量评价的一些指标参数剔除较差的观测值。对于多路径、信噪比、电离层延迟及其变化率指标,系统逐历元搜索,直接删除超限观测值。而数据采集率与周跳频率指标的实现则相对复杂,一般来说,当卫星的信号受到干扰时,数据采集率会降低,而周跳发生的频率会升高。为了利用这两个指标对数据进行预处理,这里采用移动开窗数据检核法来计算这两个指标,其算法步骤为：1)选取前 5分钟的数据进行数据检核;2)根据数据检核的结果分别统计每颗卫星观测数据在这段时间内的采集率以及观测值与周跳的比值,只要其中有一个值超过了预先设定的阈值,则删除该段时间内该卫星的所有观测值;3)向后移动 2分钟,仍然以 5分钟为窗口重复前两步;4)循环以上步骤直到文件结尾。经过过滤的数据将另外存入结构和原始数据一样的二维表中,以便对照绘制处理前后的对比图形以及输出最终的高质量观测数据文件。图 4为经过数据预处理前后观测数据的L2多路径效应对比,从图中可以明显看出,处理后的观测数据中只保留了质量较高的数据。

4 软件主要功能测试

4.1 主界面

主界面采用了MD I多窗体形式,主要子窗体有Translate、Editing和 Quality Check,考虑到参数选项较多而又要突出显示图形及报表,所以各窗体又多使用Tabpage来增加容量,尽量减少勾选项所占用的空间,使用户关注的图片和数据有更多的体现。另外增加了详细命令子窗体供高级用户的操作。主界面使用 RichTextBox来显示 StdOut(标准输出)和StdErr(标准错误)的内容。

图 4 数据预处理前(a)后(b)L2多路径效应Fig.4 Mutipath effect before(a)and after(b)pre-processing

4.2 绘图

绘图功能实现输出多路径 (共 3种形式)、信噪比、周跳、电离层延迟,电离层延迟变化率、高度角、方位角等图像。其中,多路径天空图以不同颜色绘制卫星轨迹,并以此为坐标轴绘制多路径曲线,如图5所示。图 6为周跳图,其中的红点即表示该位置发生了周跳。

4.3 统计报表

图5 多路径天空图Fig.5 Sky plot ofmultipath

统计报表由VB.NET的水晶报表控件实现,可打印或输出Word等通用形式。一个观测文件输出一个报表文件,统计的内容可由用户选择,包括多路径、信噪比、周跳数、数据利用率等。统计的方式灵活多样,主要包括总体平均统计、分时段统计、分卫星统计、分高度角统计等。其中分时段统计的时间长度可以由自行设定,每颗卫星都可以分时段统计,所有统计分析的结果都是单站数据预处理的基础。

图 6 周跳(红点处发生周跳)Fig.6 Cycle slips(the red points)

4.4 单站数据预处理测试

数据测试以某公路 GPS网为例,该网共 47站,使用中海达数据处理软件对其中 90条基线解算。为了测试软件的数据预处理效果,在利用本文设计的软件进行单站数据预处理前后两次对这 90条基线进行了处理,数据处理过程中没有任何人工干预,全部由软件自动完成。其中单站预处理的参数设置采用软件的默认值。

表 2 基线处理结果对比统计Tab.2 Comparative statistics for processing results of baseline

表 2为两次基线处理结果的统计,从表 2可以看出：在文件未经预处理而使用普通商业软件解算时,90条基线自动解算只通过了 79条,使用本文软件进行预处理之后再经普通商业软件自动解算通过了 86条,且精度由原来的 0.084 8 m提高到 0.075 6 m。需要说明的是,自动预处理的参数设置没有统一的标准,本次实验都是采用的一些经验默认值,这还有待于进一步研究。尽管如此,测试的结果已表明本软件预处理功能可以有效地剔除质量较差的观测数据,从而提高基线自动解算成功率和精度。在以往的实际工作中,当利用数据质量较差的数据进行基线解算时,往往需要依靠数据处理人员的经验并辅以大量辅助手工数据剔除才能得到满意的结果,而如果利用本文设计的软件先进行单站的数据预处理,可以大大提高基线解算工作的效率。

5 结束语

在分析 TEQC软件功能、数据格式的基础上,采用面向对象程序设计方法对 TEQC软件进行了W indows界面封装以及可视化、预处理等功能的扩充,形成一套具有数据质量分析及单站数据预处理功能且操作方便的W inTEQC软件。软件的测试结果表明：数据质量分析结果的绘图效果直观、统计报表明了且灵活多样;当观测数据质量较差时,经过该软件预处理后,可以提高基线自动解算的成功率,减少手动数据剔除的工作,从而提高实际生产的效率。但数据自动预处理的质量指标及其阈值确定还需进一步研究。

1 丁锐.利用 TEQC软件对 GNSS连续参考站选址的数据分析[J].城市勘测,2009,(1)：56-59.(Ding Rui.TEQC software to make reference to the data analysis about GNSS continuously operating reference station’s choice[J].Urban Geotechnical Investigationamp;Surveying,2009,(1)：56-59)

2 聂桂根,王院.TEQC软件对 GPS数据质量的评定及软件界面的开发[J].全球定位系统,2003,(4)：32-38.(Nie Guigen andWang Yuan.GPS data assessment by TEQC program and soft ware menu development[J].NSS World of China,2003,(4)：32-38)

3 ClementOgaja and Jim Hedfors.TEQC multipath metrics in MATLAB[J].GPS Solut,2007,(11)：215-222.

4 李征航,等.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社,2005.(Li Zhenghang,et al.GPS surveyingamp;data processing[M].Wuhan：Wuhan University Press,2005)

5 朱本城,王凤林.Visual Basic.NET 2005全程指南 [M].北京：电子工业出版社,2008.(Zhu Bencheng and Wang Fenglin.Full guide of Visual Basic.NET 2005[M].Beijing：Electronics Industry Press,2008)

6 许进标,袁鹏飞.Visual Studio.NET高手攻略[M].北京：人民邮电出版社,2003.(Xu Jinbiao and Yuan Pengfei. Master hand of Visual Studio.NET[M].Postsamp;Telecom Press,2003)

7 UNAVCOFacility.TEQCTutorial[EB/OL].http：//facility. unavco.org/software/teqc/tutorial.html,2009-7-16.

8 UNAVCOFacility.QCV IEW(forDOS)[EB/OL].http：//facility.unavco.org/software/preprocessing/qcview/qcview. html,2005-11-17.

9 Clement OgajaTEQCSPEC[CP/OL].http：//www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/12886.2009-2-22.

10 JimHedforsTEQCPLOT[CP/OL].http：//www.mathworks. com/matlabcentral/fileexchange/12886.2006-6-16.

GNSS DATA ANALYSISamp;PRE-PROCESSING SOFTWARE DESIGN BASED ON TEQC

YuWenkun1,2),DaiWujiao1,2)and Yang Zhe1)

(1)Departm ent of Surveying Engineeringamp;Geo-Infor m atics,Central South University,Changsha 410083 2)Key Lab.of Precise Engineering Surveyingamp;Defor m ation D isasterM onitoring of Hunan Province, Changsha 410083)

TEQC based on DOS is more difficult for operation comparing to windows.Moreover,it does not have functions of visualizing the data quality checking results and statistic reports and it cannot preprocess the data based on the resultsof quality analysis.Therefore,a windows interface is developed for TEQC by usingVisualBasic.NET,and the functions such as visualization,statistic reports,high-quality data filtering are added.

TEQC;GNSS;VB.NET;data pre-processing;quality analysis

1671-5942(2010)05-0081-05

2010-01-05

国家自然科学基金(40704002);湖南省自然科学基金(08JJ6025);中南大学创新实验(LE10278)

余文坤,1987年生,硕士研究生,主要从事 GNSS数据处理及应用软件开发工作.E-mail：yuwenkun008@sina.com

P207;P209

A