TEQC在GPS数据预处理中的应用

TEQC在GPS数据预处理中的应用

田云锋

摘 要 TEQC是由美国UNAVCO开发的GPS预处理工具软件，广泛应用于数据格式转换、数据完备性检查、元数据编辑等。本文介绍了TEQC的主要功能及其在GPS数据管理系统中的应用，并利用TEQC对中国WHUN、BJFS等GPS台站的数据进行了分析，获取了数据质量、GPS接收机和天线性能等指标，对于今后GPS连续观测站的建设具有指导意义。

关键词 TEQC；GPS；数据预处理；接收机测试；质量检查

1，2

（1. 中国地震局地壳应力研究所，北京 100085；2. 中国地震局地质研究所，北京 100029）

1 引言

目前市场上测量型GPS接收机种类繁多，包括Leica、Trimble、Ashtech、Javad等多个品牌。各个厂商都制定了针对自己产品的数据存储格式，虽然各厂家都提供工具（如Trimble的Dat2rin）将各自的格式转换为通用的RINEX格式（Receiver INdependent EXchange format，即与接收机无关的交换格式），但其使用较繁琐，要求操作人员对各个软件都比较熟悉，也不容易实现批处理，而这一功能对海量GPS数据管理自主运行系统来说尤为重要。为此，UNAVCO开发了TEQC （Translating， Editing and Quality Check）软件，该名称来源于其具有的各项功能：转换（Translating）、编辑（Editing）、质量检查（Quality Check）。TEQC已成为多个IGS（Internal GNSS Service）数据中心的质量核检工具，能够及时发现数据问题。

TEQC的前身QC（Quality Check）程序是用Fortran编写的，移植性较差，后来UNAVCO用C语言重写了全部代码，目前仅免费提供可执行程序。TEQC是一个命令行工具，能够运行在多种操作系统上，包括Unix、Linux、MacOS以及Windows的DOS等，其运行语法为： teqc {options} [file1 [file2 [...]]]

其中，{options}为控制参数，参数前面标“-”表示是输入参数，“+”表示为输出参数，各参数可以预先写入一个文本文件，在调用teqc时指定。teqc的缺省输出设备为标准输出，可与管道（|）或重定向（>、>>）等结合起来使用，控制其结果的输出位置。

本文就TEQC的主要功能作简单介绍，并探讨其在GPS接收机测试中的应用。

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2 格式转换

2.1 常用的GPS数据存储格式

常见的一般有三种数据：观测数据（OBServation data，简写OBS，为接收机记录的伪距、相位观测值）、导航数据（NAVavigation data，简写NAV，记录卫星实时发布的广播星历）和气象数据（METerological data，简写MET，记录气象仪器观测的温、压、湿度状况）。目前各类数据都以RINEX格式存储。 RINEX最早在1989年提出，经历了1.0和2.0版，后来又对2.0进行了修改，形成了2.10、2.11和2.20。2.11中包含了对L2C的支持，并增加了Galileo的代码。当前广泛使用的是RINEX 2.10。RINEX文件的命名规则为ssssdddf.yyt。其中ssss为台站名；ddd为年积日（Day of Year）；f为文件在当天中的序列号，如果为0则表示全天，小时文件以a-x字母表示；yy是年；t是数据类型（o表示观测数据，n

表示导航数据，m表示气象数据）。需要注意的是，RINEX采用世界协调时（UTC）时间，要与当地时间区别开。RINEX为ASCII文本文件，常以ZIP格式进行压缩（后缀名为“.Z”），以便于存储和传输。 目前IGS数据中心已采用Hatanaka RINEX格式来存储所有GPS观测数据，是一种“压缩”RINEX格式，其文件名类型字母为d（不是o），能够压缩25-30%的大小，从而降低了网络传输负荷和存储空间。日本国土地理院的Yuki Hatanaka提供工具软件crx2rnx / rnx2crx （ftp：//terras.gsi.go.jp/software/，IGSMAIL-5611）可以在Hatanaka RINEX和标准RINEX格式之间转换。

2.2 利用TEQC进行格式转换

在TEQC的开发过程中，众多GPS接收机厂商提供了有关各自原始数据格式的信息，使得TEQC能够将多种接收机记录的原始二进制数据转换为RINEX格式：Trimble、Javad、Topcon 、Ashtech、Leica、Navcom等。例如，要将Trimble的DAT文件转换为RINEX格式，可以使用： teqc –tr d bjfs0010.dat > bjfs0010.06o

其中“>”表示重定向，或者采用“+obs outname”来指定输出文件。TEQC目前不能直接转换Trimble的T00格式，需要利用R-utility中的runpk00工具先将T00文件转换为DAT格式再进行处理。针对具体接收机格式的参数可以参见TEQC的帮助（teqc +help）。为了实现批处理，可以利用UNIX/Linux Shell编写脚本，自动进行数据格式转换，降低了操作人员的劳动强度，提高了效率。在转换过程中，还可以同时进行数据的编辑。通常采用的Shell有Bourne Shell和C Shell。一个简单的例子为： #!/bin/sh ?

foreach file in `ls ${path}/*.dat`； do

ofile=${opath}/`basename ${file}`.${yr}o #输出文件名 teqc –tr d $file +obs ${ofile} #转换 done

TEQC的缺省输出格式为RINEX version 2.XX （2.10），其它格式可以在运行时指定。

3 数据编辑

3.1 修改现有RINEX文件的头信息

利用TEQC可以方便地修改RINEX文件的元数据（或叫头信息），针对不同类型的数据（观测、导航、气象）可以使用相应的参数。以“-O.”开头的是观测相关的选项，包括接收机、天线、台站、时间等信息；以“-N.”开头的是导航数据相关的选项，与电离层、时间等参数有关；以“-M.”开头的是与气象数据有关的选项，涉及时间和台站信息等。主要的控制参数参见下表。

表1 TEQC编辑头信息的主要控制参数

参数 参数 参数名称 用途 类别 前缀 r[un_by] 程序运行者 o[perator] 测站数据操作员 ag[ency] 测站组织 观测 -O. mo[nument] 测站名称 数据 int[erval，指定原始数据的采sec] 样间隔 st[art] 指定数据记录的起始时间 dec[imate] 指定输出文件的采样间隔 当转换工具不能识别原始数据的头信息（如站名、接收机和天线型号），或这些信息需要指定或修改时，利用TEQC可以方便完成。例如要更改RINEX文件中的台站名可使用 Teqc-O.mo BJFS bjfs0010.07o > /result/bjfs0010.07o

利用TEQC还可以进行数据重采样，例如将1 Hz的观测数据重采样成30 s间隔的文件： Teqc-O.dec 30 bjfs0010.07o > /30s/bjfs0010.07o

3.2 合并或分割文件

TEQC可用于RINEX文件的合并与分割，如需要将各时段数据合并为单日文件，可使用： teqc bjfs138?.06o > bjfs1380.06o

TEQC支持正在匹配表达式，即使用“*”代表任意字符，“?”代表单个字符，因此不必逐个列出输入文件。输入文件列表要求按时间顺序排列。由于TEQC的默认输出设备为标准输出，因此一般利用重定向（“>”）保存输出文件。值得注意的是TEQC会在合并的两个文件之间插入额外的注释行，GAMIT等软件在处理的时候能够将其忽略；也可以在添加“-phc”参数强制TEQC不要添加注释；此外，可以利用文本编辑器删掉这些注释行。

由于GAMIT等软件处理时一般以天（24h）为单位，因此有必要将多天连续的数据分割成单日数据文件。利用TEQC的起始时间（-st）和长度控制（-dh）可以方便地完成这些任务，如： teqc-st 200060707000000 –dh 24 bjfs.obs > bjfs1880.06o

3.3 其它

确认已有的RINEX 文件是否符合标准格式，利用TEQC可以快速确定数据文件是否符合RINEX 2.XX标准。命令语法为：

teqc +v bjfs0010.06o

如果bjfs0010.06o文件中缺少某些头信息，则TEQC可以发现问题。

4 质量检查

TEQC可用于观测文件的质量检查，其语法为： teqc +qc fbar0010.97o

运行后将生成多个结果文件，其中质量检查小结在后缀为“.YYS”的文件中，在此文件中，可以查看数据的采集时间长度、数据采样率、观测期间多路径影响（MP1、MP2）、周跳、信噪比、观测能力等。参数包括：

1）理论历元数与实际历元数

理论历元数可通过实际跟踪到的卫星数目及观测时间长度来计算，需要相应的导航星历文件（表2）。

表2 默认的观测数据和导航数据对应文件后缀名

观测数据文件后缀名 导航星历文件后缀名 *.YYo *.YYn *.YYO *.YYN *.obs *.nav *.OBS *.NAV 2）每周跳（Slip）观测历元数

用TEQC对高度角大于10的卫星的数据进行统计，用每天的观测历元数除以当天的周跳数。总周跳数为MP1、MP2和IOD周跳数之和。对于周跳较多的接收机，一般可将截至高度角设为15，再计算单日平均每周跳观测数，以确定是否周跳多发生在20角以下。如若不然，则可能是其它因素（如电离层等）造成的。 3）伪距和多路径噪声统计

MP1是P1（或C1）、L1、L2的线性组合，MP2是P2、L1和L2的线性组合。使用TEQC可给出MP1和MP2的值，这些值可以很好地反映接收机噪声和多路径效应。TEQC会生成的*.mp1； *.mp2两个多路径效应统计文件。低高度角的卫星易受多路径效应的影响。 4）L1和L2的信噪比。

TEQC以db-Hz为单位输出信噪比（Signal-to-Noise Ratio，即SNR）值（*.sn1；*.sn2文件）。通过分析随高度角变化的信噪比，可以确定接收机对低高度角卫星信号的追踪能力。 5）电离层延迟微分周跳

电离层延迟微分（Ionospheric Delay Derivative，即IOD）用来监测相位模糊度中的突然变化。如果IOD变化速率大于400cm/min，一般认为存在相位周跳。

TEQC（+qc）缺省的截至高度角为10°，可以利用“-set_mask”来改变阈值。高度角递增间隔缺省为5°，可用“-bins”设为45，以将递增步长设为2°。目前多个IGS数据中心已采用TEQC对单日GPS观测文件进行质量监控，用户可从IGS数据中心下载统计文件。下面我们就以中国部分GPS台站的数据为例，介绍TEQC在数据质量检查方面的应用。本次试验采用的数据列于表3中，包括BJFS（北京房山）、CHAN（长春）和KUNM（昆明）等8个台站。

图1和表4列出了各站实际观测历元数与理论值的比较，结果表明BJFS、URUM和WUHN的实测数占到了理论值的99％以上，观测能力强，而KUNM站最低。图2表示了各台站周跳数的多少，BJFS和URUM站在2005年初的周跳较少，之后有所增加。

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图1 2005年第60天理论观测历元数（#expt）

和实际观测数（#have）统计图

图2 每周跳观测历元数（obs/slip统计图