张 萌 李彦粉

(1. 中广电广播电影电视设计研究院, 北京 100045 2. 北京威特空间科技有限公司, 北京 102627)

0 引言

广电工程全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)测量工作经常在大功率中、短波发射天线周围开展,由于发射天线将发射机射频信号变成电磁波信号辐射出去,会在发射天线周围形成很强的电磁场环境,导致GNSS观测信号信噪比降低,同时发射天线作为一种金属障碍物,对GNSS观测信号也会造成一定的屏蔽和遮挡作用,影响GNSS观测数据质量,因此广电工程GNSS数据质量检核及预处理是广电工程GNSS数据处理的一项重要工作内容。

GNSS数据预处理软件 (translation ,editing and quality checking,TEQC)是美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体开发的一款免费的GNSS数据预处理软件[1],该软件包含数据格式转换、数据编辑和数据质量检核三大功能,被广泛应用于城市、大型工程控制网的GNSS数据预处理,能够及时发现数据问题,有效提高测量成果精度。本文针对广电工程较为特殊的观测环境,通过工程实例,研究、探讨TEQC软件在广电工程GNSS数据处理中的应用效果,同时针对TEQC软件交互性差、操作不方便等问题,采用Visual Studio C++对TEQC软件进行可视化界面开发。

1 GNSS数据质量检核指标

1.1 TEQC质量检核指标

TEQC软件质量检核,通过伪距和载波相位的线性组合方法,计算出L1、L2波段上多路径效应、电离层对相位的影响、电离层延迟的变化以及接收机的钟漂和周跳等[2-3]。TEQC软件质量检核分为无导航文件(qc-lite)和有导航文件(qc-full)两种检核方式。在qc-full模式下,软件会生成为1个质量汇总文件和8个绘图结果文件,质量汇总文件记录了数据采集的开始时刻(first epoch)、结束时刻(last epoch)、观测时长(hrs)、数据采样率(dt)、应采数据量(#expt)、实采数据量(#have)、利用率(%)、L1载波多路径影响(MP1)、L2载波多路径影响(MP2)、观测值与周跳比值(o/slps)等重要指标信息[4-7],其中最关键指标为MP1、MP2和o/slps。

MP1、MP2分别表示L1、L2波段上的多路径效应对伪距和相位影响的综合指标,计算见式(1)、式(2)。

式中,P1、P2分别表示L1和L2波段上的测距码伪距观测值；φ1、φ2表示L1和L2波段上的载波相位观测值；α表示L1和L2波段频率之比的平方。

一般情况下,MP1和MP2越小,说明抗多路径效应越强,o/slps越小说明数据出现周跳越严重。根据国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)站点的数据统计,上述三个指标的标准分别为MP1<0.5 m,MP2<0.75 m,o/slps>100[8-9]。

1.2 基线解算质量检核指标

基线解算通常采用固定双差解质量因子(Ratio)和均方根误差(root mean square,RMS)评定观测数据的质量。

(1)固定双差解质量因子Ratio。Ratio即整周模糊度分解后,次最小RMS与最小RMS的比值,如式(3)所示。

(3)

式中,RMSsec为次最小RMS；RMSmin为最小RMS。

Ratio反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性,这一指标取决于多种因素,既与观测值的质量有关,也与观测条件的好坏有关。Ratio是反映基线质量好坏的最关键值,通常情况下,要求Ratio值大于3。

(2)均方根误差RMS。RMS的计算如式(4)所示。

(4)

式中,V为观测值的残差；P为观测值的权；n为观测值总个数。

RMS表明了观测值的质量,RMS越小,观测值质量越好；反之,表明观测值质量越差。它不受观测条件(如卫星分布好坏)的影响。

2 TEQC软件的可视化开发

2.1 软件设计

TEQC软件实质上是一个可执行文件(exe文件),该软件基于C语言编写,在DOS环境下采用命令方式操作,交互性差,操作不方便,成果显示不直观[10-11]。本文利用Visual Studio C++开发平台,采用可视化界面编程和管道(pipe)编程技术,对TEQC软件进行可视化界面开发[12-16],实现如下功能:

(1)在Windows环境和可视化界面下,实现GNSS观测数据的质量检核,生成TEQC质量检核结果文件。

(2)根据设定的MP1、MP2和o/slps指标,自动评价观测数据质量,生成质量检核报表。

(3)对于质量不佳的观测数据,通过手动或自动禁用某时间段观测质量不佳的卫星数据,实现观测数据的质量优化预处理功能。

2.2 关键技术2.2.1 管道编程技术

管道实际是用于进程间通信的一段共享内存,创建管道的进程称为管道服务器,连接到一个管道的进程为管道客户机。一个进程在向管道写入数据后,另一进程就可以从管道的另一端将其读取出来。利用管道编程技术,在可视化系统界面下,直接将命令传送给TEQC,无须在DOS环境进行。创建管道的部分代码如下:

HANDLE hReadPipe2,hWritePipe2,hReadPipe1,hWritePipe1;

CreatePipe(&hReadPipe1, &hWritePipe1, &sa1, 0); //创建管道

CreatePipe(&hReadPipe2, &hWritePipe2, &sa2, 0);

2.2.2Word质量检核报表规则设置

软件将自动生成检核结果Word文档,插入观测数据质量检查表,表中显示点号、坐标、接收机型号、开关机时间、观测时长、数据利用率、MP1、MP2、o/slps以及各卫星观测质量等指标信息,部分代码如下:

oDoc=oDocs.Add(vOpt,vOpt,vOpt,vOpt);//创建新文档

oSel.TypeText("GNSS观测数据质量检查表 "); //创建表格

COleVariant vUnit((long)5), vCount((long)1), vExtend((long)1);

oSel.MoveUp(&vUnit, &vCount, &vOpt);

oSel.MoveDown(&vUnit, &vCount, &vExtend);

2.3 界面实现

可视化TEQC软件,界面简洁,操作简单,分为文件操作、质量检核和预处理三个主要功能区。文件操作功能区,用于设置观测文件及TEQC软件的路径；质量检核功能区,用于观测数据的质量检核及报表输出；数据预处理功能区,用于观测数据的质量优化,分手动调整和自动调整两种方式。

3 工程实例

以某中央发射台站广电工程为例,现场布设控制点共5个,分别为G1、G2、G3、G5和9-3,其中控制点G1、G2和9-3位于大功率短波天线周围,控制点9-3距离短波天线最近,距离仅7 m,如图1所示。GNSS控制网测量,采用中海达V30接收机,采样率设定5 s,高度角设定10°,共观测3个时段。

为对比检验TEQC可视化软件在广电工程GNSS数据处理中的应用效果,分别采用以下两种方法对GNSS观测数据进行处理:

(1)采用TEQC可视化软件对原始观测数据进行质量检核和预处理,对比预处理前后观测数据MP1、MP2和o/slps指标情况,如表1所示。

表1 观测文件预处理前后MP1、MP2和o/slps指标对比表

(2)采用中海达商用软件HGO,分别对原始观测数据和预处理后的观测数据进行基线解算,对比预处理前后观测数据的基线质量,采用Ratio和RMS作为评定指标,如表2所示。

表2 观测文件预处理前后基线Ratio和RMS指标对比表

由表1可知,观测数据预处理前,5个控制点MP1指标最大值为0.603 m,最小值为0.356 m,MP2指标最大值0.726 m,最小值为0.313 m,o/slps指标最大值为5 598,最小值为211。控制点9-3、G1和G2,因靠近大功率短波天线较近,3个控制点的MP1指标均大于0.5 m,观测数据质量不合格；剩余2个点G3和G5,MP1、MP2和o/slps指标均满足要求,观测数据质量合格。

采用TEQC可视化软件进行预处理后,5个控制点数据质量指标MP1、MP2和o/slps均得到明显提高。经对比,控制点9-3的MP1指标由0.574 m降至0.472 m,G1的MP1指标由0.603 m降至0.421 m,G2点的MP1指标由0.552 m降至0.489 m,上述3个点观测数据经预处理后,质量指标MP1、MP2和o/slps均满足要求,观测数据质量变为合格。

同样由表2可知,采用TEQC可视化软件进行预处理后,5个控制点组成的7条基线质量指标Ratio和RMS均得到明显提高,基线解算质量及精度得到显著提升,如基准G1-G2,经预处理后,Ratio指标由5.7提高到20.1,RMS指标由0.009 6 m降至0.006 3 m。

4 结束语

针对广电工程特殊的观测环境,本文通过对TEQC软件进行可视化开发,在Windows环境下实现广电工程GNSS观测数据质量检核、报表输出和预处理等功能,经工程实例验证,结果表明,可视化TEQC软件能够明显改善广电工程GNSS观测数据质量,提高GNSS观测精度。本文通过删减观测质量差的卫星信号的思路来改善广电工程GNSS观测数据质量,使得数据使用率出现一定降低,如何采用更有效方式改善广电工程GNSS测量数据质量是接下来的研究方向。