基于TEQC、RTKLIB软件的无人机测绘GNSS的研究

关键词： RTKLIB TEQC 基线解算 数据质量 测绘学

1、引言

随着GNSS技术的快速发展，GNSS高精度定位技术早已在工程测量领域得到广泛应用，如控制测量，地籍测量，地形测量等，既有外业实时测量，也涉及大量的内业数据后处理工作，由于在测量中会受到多种误差源的影响[1]，工程测量中采集的原始观测数据或GNSS高精度定位结果(如RTK)不一定完全符合要求，因此数据质量检查分析和后处理定位解算具有重要的现实意义[2]。GNSS接收机数据质量是接收机实现各项功能的基础，直接反映了性能的优劣，通过数据分析可以检测出接收机、观测环境的各类问题[3]。

在上述两种软件应用方面，张智金等改进了RT-KLIB代码，实现高精度差分定位技术启动时间和精确度的比较分析[4];王应建利用RTKLIB实现了GPSPPP时间比对[5];雷海林等，基于RTKLIB提出了一种加快RTKLIB收敛速度的小波分析方法[6];商云鹏将RTKLIB代码在ARM上进行了移植，实现了定位解算[7]。国内外在运用RTKLIB软件时多应用于学术研究，对GNSS数据质量的分析大多建立在TEQC软件基础上，未结合实际工程测量遇到的问题加以分析，并给出指导意见。

2、两种软件简介

2.1TEQC软件

2.2RTKLIB软件

RTKLIB是日本东京海洋大学开发的用于GNSS精密定位的开源程序包[10]，包括便携程序库和多个应用程序。RTKLIB软件与其他精密解算软件(如美国麻省理工的GAMIT、瑞士伯尔尼的Bernese、武汉大学的PANDA等)相比，不仅开源免费，且提供了GUI工具，数据分析简便，代码中支持多种经典的算法，既能以GUI方式配置和运行，也能以命令方式运行。上述精密软件及在线服务代码均不对用户开放，且多用于基础性研究，对于生产单位的工程技术人员来说，难以掌握，也使得用户无法根据自身需要制定和完善相关功能，限制了高精度定位技术在工程测量中的应用，因此，使用该开源软件对于工程应用具有重要价值。

2.3综合使用TEQC和RTKLIB的理由

TEQC软件存在以下问题:(1)必须在DOS界面下运行，界面不友好，且需要QCVIEW32.exe、DOS3GW.exe等程序才可实现绘图功能[11]，可视化功能较弱;(2)仅支持RINEX2.10或RINEX2.11格式;(3)数据质量指标以及误差分析不全面，如多路径与高度角关系、卫星几何精度因子和高度角的关系分析等功能不具备。而RTKLIB软件除具有多种定位解算功能外，也实现了强大的图形化输出功能，支持多种GNSS接收机的格式及RINEX2.x、RINEX3.x标准协议，支持串口、TCP/IP、NTRIP并能提供多个库函数和API(应用接口)。因此，结合两种不同的软件，可高质量地完成数据处理工作，更好地为无人机航测数据后处理工作服务。

3、数据质量检核标准

(1)周跳比。周跳是指接收机在跟踪卫星过程中由于受到无线电信 干扰等原因造成信 失锁，从而导致载波相位观测值整周发生突然跳跃的现象。通常采用理论上历元数与周跳的比值来作为周跳的统计值。

(2)观测数据利用率。观测数据利用率表征了大于或等于截止高度角的数据完整性。

(3)多路径效应。多路径效应指在GNSS测量中，如果测站周围反射物所反射的卫星信 (反射波)进入接收机天线，将和直接来自卫星的信 (直射波)产生干涉，从而使观测值偏离真值，产生所谓的“多路径误差”，这种由于多路径的信 传播所引起的干涉时延效应被称为多路径效应。通常用MP1和MP2分别表示L1和L2波段上的多路径对伪距和载波相位测量的影响。

4、PPK技术

在无人机航测领域，一般使用RTK模式获得高精度定位结果，每时每刻需要接收差分改正信 ，也就是通信数据链路，如果遇到恶劣环境影响，容易出现卫星失锁、定位偏差、传输时延等现象，而PPK技术，即动态后处理技术，直接处理测量中采集的观测数据，忽略中间无线电传输的环节，可采用多种提高定位精度的措施，如采用IGS精密星历或者精密钟差产品、DCB产品等，确定接收机之间厘米级的相对位置，弥补实时测量中的不足，为测绘提供相对完整的高精度测量结果。如在航测无人机应用时，相机拍照瞬间和卫星导航记录的拍照点坐标之间存在时延，RTK模式时，当下达拍照命令时，同时命令GNSS进行记录，即使是在固定的情况下，拍照时刻和GNSS采集时刻总是存在时间差，这就会造成不规律的系统误差，而PPK模式则没有时延问题，更能保障解算精度。RTK模式时，如果将高精度坐标写入照片，而没有另外存储的话，坐标转换为文本格式，会面临增大工作量的风险，而PPK模式，由于是单独记录高精度位置可以通过后处理软件转换坐标系统，坐标转换所需参数也可通过PPK软件计算并应用到当前项目。因此，为了保证定位的连续性、可靠性，避免航测数据不全而重飞的风险，无人机航测采用PPK技术必不可少，而RTKLIB软件则提供了比较完善的后处理定位解算功能，支持单点定位、差分定位、动态PPK、静态PPK、动态相对定位、精密单点定位(PPP)等。

5、实例分析

5.1数据质量及定位结果分析

首先基于某无人机航测工程项目第一次采集的基准站数据和无人机流动站数据(分别为Master.18o和Rover.18o，星历文件为Master.18n)，时间长度为1小时58分30秒，时间间隔为1秒，基准站数据格式为RINEX2.10，流动站数据格式为RINEX3.02，高度截止角为10°，采用TEQC软件进行数据可用率、周跳比、MP1和MP2计算，采用RTKLIB软件进行信噪比、DOP值、基线解算精度可视化分析。

图1S文件截图

从图1可以看出，数据利用率仅为90%,MP1为0.51,MP2为0.64，周跳比为247，未达到参考值，不能满足要求。

在RTKLIB软件中运行rtkplot.exe应用程序，打开观测文件Master.18o和星历文件Master.18n，可作出DOP值、多路径和基线解算图，如图2所示:

图2DOP值图

其中，绿色代表卫星颗数，橘黄色代表GDOP值，紫红色代表PDOP值，蓝色代表HDOP值，红色代表VDOP值，从图2可以看出，整个测量过程，上下星情况比较频繁，DOP值时有变化。

图3信噪比、多路径和高度角图

图4定位轨迹图

其中橘黄色代表浮点解，众所周知，浮点解精度并不可靠，不能作为无人机测绘GNSS定位成果应用。

信噪比、多路径和高度角图、定位轨迹图如图3、图4所示。

综合以上结果分析，基准站接收机数据显示各项指标均较差，周跳比值和多路径值较大，可视卫星数和信噪比离线情况较为严重，初步分析该站天线附近周围环境条件较差，存在遮挡，还可能存在电磁干扰的情况。

5.2实地勘测后结果分析

对基准站点进行实地考察，发现现场情况如下:基准站周围已种植较高树木，距离100m处，有住宅小区高层建筑正在施工，因此对天线造成了遮挡和干扰，导致接收机数据质量较差。

经过一段时间选址，更换站点后，重新验证基准站接收机数据质量是否合格，按之前预设的轨迹操控无人机飞行采集数据，并截取同一时间段，用TEQC和RTKLIB软件处理结果如图5～图8所示。

图5S文件截图

图6DOP值图

图7信噪比、多路径和高度角图

图8定位轨迹图

图9定位解算偏差图

从S文件可以看出，数据利用率为97%,MP1为0.14,MP2为0.21，周跳比为2985，满足参考站标准要求，同时可视卫星个数和DOP值也趋于平滑，说明接收机跟踪卫星信 稳定，信噪比和多路径值较为集中，且给出了多路径和高度角的关系，说明该站当天的多路径影响比较小，随着高度角的增加，多路径误差逐渐变小，这同时是GNSS定位中一般选取高仰角的原因之一。

此外，利用商业解算软件得到无人机定位坐标的参考值，再采用MATLAB软件作图分析可得RTKLIBPPK定位坐标偏差图(如图9)，结果发现:除了几个跳点(浮点解)之外，其他均为固定解，最大基线长度达到9.6km,x,y,z方向精度分别达到了2.9cm,2.3cm和1.6cm，满足一般工程测量的精度要求。

6、结语