田云锋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）
 
    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　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[1]，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[2]。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。
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

    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

    2）每周跳（Slip）观测历元数
    用TEQC对高度角大于100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150，再计算单日平均每周跳观测数，以确定是否周跳多发生在200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{zd1}。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。

图1 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


表3  试验使用数据列表

代码	所在地	接收机	天线	观测时间（2005年：DoY）
BJFS	北京	ASHTECH Z-XII3	ASH700936B_M	1，32，60，91，121，152
CHAN	长春	ASHTECH Z-XII3	ASH700936B_M	1，32，60，91，121，152
KUNM	昆明	ROGUE SNR-8000	AOAD/M_T	1，32，60，91，121，152
LHAS	拉萨	AOA SNR-8000 ACT	AOAD/M_T	1，32，60，91，121，152
LHAZ	拉萨	JPS LEGACY	ASH701941.B	60，91，121，152
SHAO	上海	ROGUE SNR-8100	AOAD/M_T	1，60，91，121
URUM	乌鲁木齐	AOA SNR-8000 ACT	AOAD/M_T	1，60，91
WUHN	武汉	ASHTECH Z-XII3	ASH700936E	1，32，60，91，121，152

表4  2005年3月1日（doy=60）测量数据统计值（截至高度角为10°）

测站	doy	hrs	dt	#expt	#have	%	mp1	mp2	o/slps
	60	23.98	30	22441	22245	99	0.39	0.41	22245
kunm	60	23.99	30	23453	18505	79	0.83	1.76	173
lhas	60	23.99	30	23175	20846	90	0.2	0.23	302
lhaz	60	23.99	30	22302	20180	90	0.33	0.37	961
shao	60	23.99	30	23830	19873	83	0.45	0.86	641
urum	60	23.99	30	23228	23200	100	0.18	0.21	11600
wuhn	60	23.98	30	22697	22332	98	0.55	0.54	2030

    大多数台站的接收机、天线的MP1小于0.60 m，MP2小于1 m（图3）。MP1反映的是伪距多路径效应，MP2反映伪距多路径效应和接收机噪声的强度，值越大表明接收机对多路径效应越敏感。分析表明KUNM、WUHN站对多路径效应的反应较明显，而LHAS和URUM站则最不敏感；低高度角的卫星受多路径效应影响较大。
    从信噪比统计来看（图4），L1通道BJFS、WUHN的性能较稳定，位于拉萨的两个站LHAS和LHAZ的接收机对卫星高度角的较敏感。

    
                           图3  多路径效应影响分析。（a）为单日MP1值，（b）为单日MP2值（10-900）。

                     图4  信噪比统计。其中，（a）为L1信噪比，（b）为L2信噪比。


5  结束语
    GPS观测数据的质量好坏决定了其是否能够满足应用需要，随着GPS应用的不断深入，对GPS的定位精度提出了更高的要求，为此就需要减少GPS硬件设备、天线墩、多路径效应等的影响。TEQC作为一个质量评估软件，能够帮助我们方便地分析各种因素的影响。此外，TEQC还是一款优秀的数据预处理软件，能够进行格式转换、修改、分割和合并等多项复杂操作，在自动数据处理系统（如GPS气象学）和GPS数据中心软件系统中能够起到重要作用。
    在此，作者要感谢UNAVCO提供了TEQC软件，感谢IGS提供了GPS连续观测站数据。
参考文献
    [1]Estey L H， Meertens C M. 1999. TEQC： the multi-purpose toolkit for GPS/GLONASS data. GPS Solutions [J]， 3（1）： 42–49
    [2]TEQC——The Toolkit for GPS/GLONASS/Galileo/ SBAS Data [EB/OL]. http：//facility.unavco.org/software/ teqc/teqc.html
    收稿日期：９月１日　　修改日期：９月１２日
    作者简介：田云锋（1976－），男，助理研究员，研究方向：固体地球物理。