GPS靜態(tài)觀測中數(shù)據(jù)質(zhì)量實時檢測

盧獻健 晏紅波 黃 鷹

1 桂林理工大學測繪地理信息學院,桂林市雁山街319號，541006 2 廣西空間信息與測繪重點實驗室，桂林市雁山街319號，541006 3 桂林好測科技信息有限公司，桂林市雁山街319號，541006

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GPS靜態(tài)觀測中數(shù)據(jù)質(zhì)量實時檢測

盧獻健1，2晏紅波1，2黃 鷹3

1 桂林理工大學測繪地理信息學院,桂林市雁山街319號，541006 2 廣西空間信息與測繪重點實驗室，桂林市雁山街319號，541006 3 桂林好測科技信息有限公司，桂林市雁山街319號，541006

在分析觀測數(shù)據(jù)解碼以及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標的基礎上編制軟件，對采集到的原始GPS觀測數(shù)據(jù)進行解碼與多路徑效應、周跳等質(zhì)量指標的分析計算，并對質(zhì)量指標進行直觀、實時的圖形顯示。介紹所寫軟件在工程實踐中的應用，并與TEQC軟件進行比較，證明了軟件的正確性和可靠性。

靜態(tài)觀測；數(shù)據(jù)質(zhì)量；實時檢測；數(shù)據(jù)解碼

衛(wèi)星靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量對提高定位精度和工作效率有重要意義[1]。而在實際工作中有時因某個測站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量太差而不得不重測，影響工作進度和效率。觀測中若能及時進行觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測發(fā)現(xiàn)異常情況，則可以采取措施避免因觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不合格產(chǎn)生的不利影響，提高效率并保證觀測成果的可靠性[2]。

GPS觀測與常規(guī)觀測相比，有其自身的特殊性：采用電子記錄、數(shù)據(jù)量大、受觀測的時間和地點影響較大。雖然有些接收機能顯示觀測時的衛(wèi)星個數(shù)、分布、信噪比等信息，但是僅有這些信息難以準確反映觀測值質(zhì)量，而且觀測者難以跟蹤記錄這些信息的變化。采用衛(wèi)星預報軟件雖然可以預報觀測點的衛(wèi)星情況，但是無法準確反映多路徑效應和周跳個數(shù)等信息。TEQC軟件在GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢測中得到廣泛的應用[1,3-5]，但其適用于事后質(zhì)量檢測，無法達到數(shù)據(jù)質(zhì)量實時檢測的目的。就目前而言，要進行觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的實時檢測，需要完成接收機與計算機間的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解碼及數(shù)據(jù)質(zhì)量分析計算等工作[6-7]。

本文以使用Trimble BD970 OEM板為主板的接收機作為實驗設備，利用VB.NET語言編寫程序，實現(xiàn)接收機與計算機的實時通訊及二進制數(shù)據(jù)的解碼，在此基礎上進行周跳探測、多路徑效應及衛(wèi)星高度角等的計算，并用圖形顯示的方式對數(shù)據(jù)質(zhì)量指標進行可視化。最后介紹了本文方法在工程實踐中的應用及與TEQC軟件的比較，驗證了本文方法及程序的正確性。

1 觀測數(shù)據(jù)傳輸與解碼

GPS接收機一般采用二進制格式記錄原始觀測數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)處理中的標準數(shù)據(jù)格式為Rinex格式，是ASCⅡ碼文本格式。因此，為了便于數(shù)據(jù)處理，首先要進行數(shù)據(jù)的傳輸和解碼。由于各接收機生產(chǎn)商的二進制格式不盡相同，數(shù)據(jù)解碼的具體操作略有不同，但基本步驟大致相同：1)明確變量的含義；2)獲取變量值；3)數(shù)值換算。對于Trimble BD970 OEM板卡，利用VB.NET的MSCOMM控件可以簡便、快速地建立接收機與計算機間的數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)穩(wěn)定、快速的數(shù)據(jù)傳輸。本文方法中通過定時觸發(fā)MSCOMM控件的Timer事件來實現(xiàn)接收機與計算機間的數(shù)據(jù)實時傳輸。數(shù)據(jù)解碼方法可以參考文獻[8]。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量指標

觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價指標有多路徑效應大小、周跳個數(shù)、數(shù)據(jù)有效率和信噪比等。

2.1 多路徑效應影響的計算

利用測碼偽距與載波相位觀測量來計算測站多路徑效應的綜合影響[9]：

(1)

(2)

式中，P1、P2分別為L1、L2兩波段上的測碼偽距觀測值；φ1、φ2分別為兩個波段上的載波相位觀測值；κ為L1、L2兩波段頻率f1、f2之比的平方。多路徑效應的評價指標采用均方差(RMS)表示。

2.2 周跳探測

電離層殘差法[10]可依據(jù)前幾個歷元的數(shù)據(jù)對下一個歷元是否發(fā)生周跳進行探測，因此適用于本文實時檢測的目的。

設某一歷元t電離層殘差組合為：

(3)

式中，λ、φ、N和f分別為載波的波長、載波相位觀測值、整周模糊度和載波頻率；下標1、2為L1、L2載波；A(t)=-40.3∫Neds，Ne為信號路徑上的電子密度，s為傳播路徑。將式(3)兩邊同時除以λ1并在相鄰歷元間求差，得到電離層殘差法的檢驗量：

(4)

式中，ΔNI(t)表示歷元間電離層殘差的變化值。

當L1、L2載波相位觀測值沒有發(fā)生周跳時，ΔN1、ΔN2等于0，則相鄰歷元的電離層殘差值ΔNI(t)不會發(fā)生跳變。因此，可以通過ΔNI(t)的變化情況判斷是否發(fā)生周跳。本文使用多項式擬合及電離層殘差法共同探測周跳。

實際工作中，常采用總觀測值數(shù)量和周跳發(fā)生數(shù)量的比值來反映整個觀測過程的數(shù)據(jù)質(zhì)量，比值越大說明數(shù)據(jù)中發(fā)生周跳的次數(shù)越少。其表示為：

(5)

2.3 數(shù)據(jù)有效率

數(shù)據(jù)采集中，當接收機(雙頻、單頻)對衛(wèi)星完成鎖定后，則正常情況下某一歷元所能獲得的觀測值(L1、L2、P1、P2、C1、C2等)個數(shù)是已知的。若測站周圍環(huán)境變化、接收機出現(xiàn)異常等原因引起衛(wèi)星信號失鎖，則影響某時刻接收機對某一類型觀測值的采集，造成實際采集數(shù)據(jù)量小于應采集數(shù)據(jù)量，或者所采集的觀測數(shù)據(jù)誤差較大。因此，對于某一時段來說，實際采集數(shù)據(jù)量與應采集數(shù)據(jù)量的比值亦可反映觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和測站觀測環(huán)境的好壞。該比值稱為觀測數(shù)據(jù)有效率，表示為：

(6)

3 系統(tǒng)設計與靜態(tài)數(shù)據(jù)實時檢測

3.1 實時檢測功能模塊的設計與實現(xiàn)

在上述分析的基礎上，利用VB.NET編寫數(shù)據(jù)質(zhì)量的實時檢測軟件(real-time QC，RTQC)，對使用了Trimble BD970 OEM主板的某國產(chǎn)GPS接收機的原始二進制觀測數(shù)據(jù)進行實時解碼。對解碼后的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，利用電離層殘差法進行周跳探測并計算多路徑效應均方差MP1、MP2。最后將周跳探測結果(周跳發(fā)生個數(shù)與時刻)和MP1、MP2值可視化，利用圖形進行實時動態(tài)顯示。同時還可以對觀測時段內(nèi)已采集數(shù)據(jù)進行實時的質(zhì)量統(tǒng)計分析，及時掌握數(shù)據(jù)質(zhì)量的變化。實時檢測的流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)質(zhì)量實時檢測的流程Fig.1 Process of real-time data quality detection

為了提高數(shù)據(jù)存儲、訪問等操作的效率，數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測的結果采用二維數(shù)據(jù)表DataTable來存放，周跳信息、MP1與MP2分別存放于單獨的文件，其格式見表1。表中第一列表示數(shù)據(jù)采樣間隔，其他各列表示對應衛(wèi)星的數(shù)據(jù)檢測質(zhì)量結果。

表1 MP1檢測結果二維數(shù)據(jù)表格式

數(shù)據(jù)質(zhì)量實時檢測的界面見圖2。

圖2 實時質(zhì)量檢測的界面Fig.2 The program interface of real-time data quality detection

RTQC軟件的主要功能有數(shù)據(jù)傳輸、質(zhì)量分析與質(zhì)量信息統(tǒng)計。數(shù)據(jù)傳輸采用串口通訊的方式實現(xiàn)接收機與計算機的實時數(shù)據(jù)通訊；質(zhì)量分析主要包括觀測數(shù)據(jù)的多路徑效應(MP1、MP2)與周跳兩項指標的圖形可視化顯示；質(zhì)量信息統(tǒng)計可以計算觀測時段內(nèi)任意時刻的數(shù)據(jù)有效率、o/slips指標及平均多路徑效應等數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計信息；圖形顯示區(qū)可以顯示全部衛(wèi)星和單顆衛(wèi)星的質(zhì)量指標，方便進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，有關圖形顯示的參數(shù)可以在菜單“視圖”中設置，如時段長，采樣間隔等繪圖參數(shù)。

3.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)的實時檢測

為驗證本文RTQC軟件對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量實時檢測的效果，設計如下實驗：選擇具有不同觀測環(huán)境的A、B兩站點，利用RTQC軟件及同一臺接收機分別進行數(shù)據(jù)質(zhì)量的實時檢測，其中A站點為某大樓樓頂，具有良好的凈空，觀測條件良好；B站點為大樓下的地面點，距大樓較近，并且其周圍有較高的樹木，觀測條件較差。實驗觀測時段為2 h，數(shù)據(jù)采集間隔為15 s。觀測開始前，根據(jù)時段長和采樣間隔設置繪圖參數(shù)，觀測過程中RTQC軟件可以實時進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測。觀測完成后，還可利用TEQC軟件分別對所采集的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢測，以驗證RTQC軟件的結果。

圖3為A、B兩站點前10 min靜態(tài)觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測結果。

圖3 A、B兩站短時間內(nèi)檢測結果Fig.3 Real-time detection results on station A and B

圖3(a)、圖3(b)分別為A站點約10 min所采集數(shù)據(jù)的MP1、MP2檢測結果。不難看出，由于A點的觀測條件良好，因此其MP1、MP2的檢測結果較小，MP1、MP2的最大值均沒有超過1 m，MP2的數(shù)值較MP1稍大。而圖3(c)、圖3(d)為觀測條件相對較差的B點的MP1、MP2檢測結果。由于其附近有大樓和樹木等因素的影響，圖中所示的多路徑效應的檢測結果較大，最大的接近5.0 m和10 m。另外，通過軟件所顯示的單顆衛(wèi)星多路徑效應圖形可知，未發(fā)生數(shù)值突變的部分衛(wèi)星的MP1、MP2數(shù)值也超過了2.0 m，而且還有數(shù)據(jù)中斷的情況，說明B點的觀測確實受到了其周圍外界因素的影響。因此，相對A點的檢測結果，B點有多顆衛(wèi)星的MP1、MP2的數(shù)值偏大，其受周圍觀測環(huán)境的影響較大。

由上述的實驗分析可知，利用RTQC軟件對具有不同觀測條件的測站進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測，其檢測結果符合事前的預期，說明RTQC軟件可以在較短的時間內(nèi)(幾分鐘)通過對所采集的數(shù)據(jù)進行實時質(zhì)量分析，及時反映觀測條件的好壞。

圖4為完成2 h觀測后，A、B兩點整時段的MP1的檢測結果。在完成整時段的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測后，RTQC軟件還可以對該時段的數(shù)據(jù)質(zhì)量作統(tǒng)計分析，如圖5為A點靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)計信息。

圖4 A、B兩點整時段的MP1檢測結果Fig.4 Detection results of MP1 in observation interval

圖5 A站點觀測質(zhì)量統(tǒng)計Fig.5 Observation quality statistics results of station A

從圖5可知，A站點各顆衛(wèi)星的多路徑效應數(shù)值穩(wěn)定，數(shù)值變化基本在-0.75～0.75。借助單顆衛(wèi)星的MP1變化圖不難得出，G12號衛(wèi)星的MP1值在270～350歷元之間有大于1的間斷變化，但總體上其數(shù)值處于較小的浮動區(qū)間內(nèi)。相對而言，B站點的MP1結果有明顯的跳變和數(shù)據(jù)中斷，發(fā)生在多顆衛(wèi)星及不同的時間段上。

綜合B站點的MP2與周跳檢測結果可知，B站點周圍的環(huán)境對觀測造成了影響，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯不如A站點，這符合觀測前對站點觀測質(zhì)量的預測，同時說明本文RTQC軟件的正確性。

3.3 與TEQC軟件的分析比較

為了進一步驗證RTQC軟件的正確性和上述實時數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測的可靠性，利用該接收機的隨機軟件將觀測數(shù)據(jù)的格式轉為Rinex格式，并用TEQC軟件對A、B測站點所采集的數(shù)據(jù)進行事后數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測。TEQC與RTQC軟件數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測結果的對比見表2。

表2 兩種軟件數(shù)據(jù)檢測結果的比較

表2中列舉了兩軟件多路徑效應、o/slips及采集數(shù)據(jù)量的比較，各項指標基本相同，說明了RTQC軟件檢測結果的可靠性。

4 結 語

在分析數(shù)據(jù)解碼和數(shù)據(jù)質(zhì)量指標計算方法的基礎上，利用VB.NET面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言設計了RTQC軟件，實現(xiàn)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的實時檢測。結合現(xiàn)場實驗以及TEQC軟件驗證了RTQC軟件的正確性和可靠性。RTQC軟件可以實時對靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢測，掌握數(shù)據(jù)質(zhì)量的變化以便及時作出各種觀測決策，減少不必要的事后返工重測。例如在CORS基站、工程控制網(wǎng)等的布網(wǎng)選點中，可以利用RTQC軟件對站點觀測環(huán)境進行現(xiàn)場檢測，以便選定更優(yōu)的站點位置，保證觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

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Real-Time Quality Checking of GPS Static Measurement Data

LUXianjian1,2YANHongbo1,2HUANGYing3

1 College of Geomatics and Geoinformation, Guilin University of Technology, 319 Yanshan Street,Guilin, 541006,China 2 Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics, 319 Yanshan Street,Guilin,541006,China 3 Guilin Good Surveying Information Technology Co Ltd, 319 Yanshan Street,Guilin,541006,China

Based on analysis of GPS observation data decoding and data quality indices, we compile a new program for decoding the original observation data and calculating and analyzing the quality indices, such as multipath effect, cycle slips and so on. The quality indices can be displayed intuitively by graphics in real-time. Moreover, the experimental verification is carried out through engineering practice, and the results prove the correctness and reliability of the designed software, providing guidance and help for practical work.

static measurement; data quality; real-time checking; data decoding

National Natural Science Foundation of China,No.41161072; Natural Science Foundation of Guangxi,No.2014GXNSFAA118288;Guangxi Key Laboratory Spatial Information and Geomatics Foundation,No.130511409,130511415.

YAN Hongbo,PhD candidate,majors in application of GNSS and remote sensing for soil moisture retrieval, E-mail：2009019@glut.edu.cn.

2015-11-03

項目來源：國家自然科學基金(41161072)；廣西自然科學基金(2014GXNSFAA118288)；廣西空間信息與測繪重點實驗室基金(130511409，130511415)。

盧獻健，講師，主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理及其應用研究，E-mail：285922956@qq.com。

晏紅波，博士生，講師，主要從事GNSS應用與遙感土壤濕度反演研究，E-mail：2009019@glut.edu.cn。

10.14075/j.jgg.2016.11.002

1671-5942(2016)011-0946-05

P228

A

About the first author:LU Xianjian,lecturer,majors in GNSS surveying data processin and its application，E-mail：285922956@qq.com.