TEQC在铁路工程测量中的应用

汤伟尧

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

科学技术的发展日新月异，空间信息技术更是朝着多元化、实用化的方向不断发展。关于海量空间信息的获取手段，目前发展较为成熟的系统包括我国已基本建设完成的北斗全球定位系统(BDS)、美国GPS系统、俄罗斯GLONASS以及欧盟GALILEO系统。这些GNSS全球导航定位系统都为用户提供了海量、高精度、高分辨率的时空信息，并且已经成功应用于各个行业和领域。其中，在铁路建设的勘察设计、施工运营等阶段应用较为广泛。

关于多源海量空间位置信息，其全生命周期一般经过数据采集、数据预处理和数据处理与分析三个重要过程。其中，数据预处理至关重要(主要包括数据编辑、加工和整理)。预处理工作是否完善，对后续数据平差计算以及平差结果的精度将产生重要的影响[1]。目前，铁路工程测量中出现GNSS数据质量较差的情况一般都返工重测，而对如何提高其利用率的探讨研究较少。以下将研究利用预处理软件TEQC的强大功能，探讨并分析测量过程中出现短暂信号丢失情况时如何对数据进行后处理，从而避免返工重测，提高生产效率。

1 TEQC功能介绍

TEQC是UNAVCO Facility组织开发的用于GNSS观测信息预处理的软件[2]，相较于其他预处理软件，其功能较多，使用命令简单易懂，既可以检核分析双频接收机的静态观测信息，也可以用于研究动态数据质量。其原理主要是利用GNSS观测信息的伪距和载波相位信息进行线性组合，从而实现对GNSS数据的误差估计[3]。TEQC主要功能包括：格式转换(Translate)、数据编辑(Edit)、质量检核(Quality Check)和单点定位(Coordinate)[4]。以下主要研究TEQC的数据编辑和质量检核功能。

1.1 质量检核

质量检核一般有lite模式和full模式(常用模式为full)。full模式：需要o文件和n文件，命令为teqc+qc -nav source. *.*n source.*.*o，执行后文件夹里将产生9个文件。其中*.*S是分析结果汇总文件；*.ion是L1/L2电离层延迟；*.iod是电离层延迟的变化率；*.mp1是L1载波上的码信息多路径观测误差；*.mp2是L2载波上的p码多路径观测误差；*.sn1是L1观测值的信噪比；*.sn2是L2观测值的信噪比；*.ele是卫星高度角；*.azi是卫星方位角。

对数据质量分析主要包括四点。

(1)数据完整性：数据完整性代表了实际观测历元和理论预计历元的比值(possible obs/complete obs)，也就是预期历元数和实际历元数的比值。

(2)多路径误差分析：MP1和MP2主要用于分析GNSS接收机周围环境是否造成多路径效应，进而评价观测环境的质量。其计算公式为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

上式中，P1和P2分别代表L1和L2载波上的测距码；φ1和φ2显示载波相位观测值；M1和M2是双频伪距的多路径效应；m1和m2是双频载波相位的多路径效应；n1和n2是整周模糊度；f1和f2是频率；λ1和λ2是波长；假如没有产生周跳，B1和B2是常量，m1、m2远小于M1和M2；α是L1、L2波段频率之比的平方。

(3)信噪比(SNR)：信噪比主要用于分析接收信息与高度角变化的关系，还可以分析评价接收机对高度角较低卫星信号的追踪接收能力。

(4)观测历元数与周跳数的比值(o/slps)：经常用CRS=1 000(o/slps)表示。

(5)电离层延迟微分周跳(IOD)：一般用这个指标来衡量相位观测值中是否存在周跳，如果IOD变化率大于400 cm/min，应对其进行重点关注，有

(6)

根据IGS跟踪站的数据统计，一般要求MP1<0.5，MP2<0.75，o/slps>100[5]。

1.2 数据编辑

常见的合并功能应用于将多日数据分割成单日文件，也可以将单时段数据进行合并，形成一个长时间序列的观测文件。通过给定一个时间范围，可以对标准格式数据进行该时间窗口的切割。例如：teqc-dm 20 source.**o > result.**o表示截取观测文件最后20 min数据。如果合并两个时间段的RINEX数据，可以使用teqc urum.135？.10o>urum.1350.10o。

2 TEQC工程应用实例

以2019年8月3日某铁路精密工程测量实验为例。平面坐标系采用2000国家大地坐标系，长半轴为6 378 137，扁率为298.257 222 101。按照高斯窄带投影的方法建立工程独立坐标系，满足规范中投影变形不大于10 mm/km的要求[6-8]。本实验研究范围中央子午线为103°，投影面大地高为2 610 m。截止卫星高度角设置为15°，数据采样率为15 s，PDOP小于等于6，观测时间长度为120 min。其中， CPI57-1点在一个时段中陆续停电3次，测试具体概况如表1和表2所示。

表2 CPI57-1四个时段概况

表1 CPI57-1四个时段数据质量检核

执行teqc+qc -nav CPI02150.19o CPI02150.19n，得到每一时段的汇总报告文件。其中包含的参数信息有每颗卫星的接收数据情况、观测时间、首历元、末历元、MP1(L1载波的多路径影响)、MP2(L2载波的多路径影响)、SN1(L1载波的信噪比)、SN2(L2载波的信噪比)、IOD(电离层延迟变化率)、ION(电离层延迟误差)、AZI(方位角)、ELE(卫星高度角)。由表1可以看出，四个时段的卫星数都多于10颗，观测条件良好；根据一般性原则，重点关注MP1和MP2，如果其值分别小于0.35和0.45，说明站点周围的多路径影响效应较弱[9-12]，本研究中的MP1和MP2远小于限差值，数据有效率都在90%以上，说明多路径、遮挡以及电磁干扰等影响非常小。

由表2可以看出， CPI57-1点第一时段和第二时段相差只有11 s，由于静态测量中设置的采样率为15 s，所以断电小于15 s的情况下观测数据的损失很小。第二时段和第三时段间断42 s，丢失3个历元的数据，其影响也相对较小。第三个时段和第四个时段间断时间相对较长(共有3 min57 s的间断时间)，相对观测数据损失较多。鉴于观测过程中间断时间短暂，采样率、仪器高等参数不变，故利用TEQC的文件合并功能，执行teqc file1 file2>myfile，将以上四个时段数据合并为一个文件。

为了研究合并后数据的可用性，将CPI57-1点与其他点组成基线，并且同步观测6次，以进行对比分析。观测数据的基线解算采用徕卡随机商用软件LGO8.4。重复基线、闭合环检验、整网平差计算利用武汉大学研制的COSAGPS软件。图1为CPI57-1与其他点位的位置分布。

图1 CPI57-1与其他点位位置关系

2.1 异步环统计

根据工程测量规范及要求，外业观测结束后，首先对基线进行处理和质量分析，然后对重复基线、环闭合差进行检验，独立观测过程中的异步环坐标分量也要符合相关规范中的技术指标[8]，如表3所示。

表3 基线向量环闭合差限差

对6次独立平差的基线向量网独立环闭合差进行计算，其独立环最大闭合差统计结果如表4所示。

表4 闭合环最大闭合差 mm

由表4可以看出，与CPI57-1组成的基线向量网中，各独立环的最大闭合差在X、Y、Z以及基线长度分量上都能满足限差要求，说明合并后的数据质量相对较好。

2.2 重复基线较差统计

表5 重复基线最大较差 mm

2.3 三维自由网平差

图2 同一组基线不同时段三维基线向量残差对比

由图2可以看出， CPI57-1参与构成的基线向量6个时段的基线向量残差互差都比较小。其中，CPI57-1—CPI57-2规范要求限差为1.51 cm，CPI57-1—CPI57-3限差为11.51 cm，CPI57-1—CPI059限差为5.6 cm，CPI57-1—CPI060限差为5.79 cm。与CPI57-1有关的三维基线向量残差都小于限差。

2.4 二维约束平差

选择相同的起算点，得到6个时段CPI57-1的二维约束平差值，如表6和图3所示。

表6 不同时段二维约束平差坐标 m

图3 不同时段二维约束成果对比

由表6和图3可知，将6个时段联合平差的结果作为参考值，将每个时段的二维约束平差值与其进行对比，可以看出第一时段和第四时段解得的CPI57-1坐标差相对较大。由于第一时段的数据为多个断开时段合并的数据，多余观测较少，且第一时段观测过程中该点位周边车辆和人员来往较密集，致使观测点位稳定性较差，故第一时段CPI57-1点位精度较差。第四时段可能是由于数据采集过程中多路径影响或者卫星星况较差造成的：在该区域内，18:00～19:00时间段内PDOP值较大，锁星情况不好。此外，在联合平差时,若将6个时段数据同时平差，可能会将观测时段不好的数据引入，造成第一和第四时段相对精度较低。由于每个时段解算的数据都是单时段，所以多余观测较少，精度较弱，但是整体来看，TEQC合并后的数据延长了同步观测时间，优化了观测数据质量，解算的点位坐标精度能够满足工程测量的要求。

3 结论

基于TEQC软件强大的质量检核和数据编辑功能，对GNSS接收机在现场测量中由于各种复杂原因出现的短暂数据丢失情况进行后处理。对比分析表明，经TEQC处理后的数据能够延长同步观测时间，满足工程测量基线解算要求，解算的基线和平差后的点位精度符合铁路工程测量的要求，不仅可以避免不必要的返工测量，提高工程测量的效率，节约成本，而且对于优化基线解算和网平差也有着重要的意义。