全球导航卫星系统数据预处理软件设计及实验教学应用_卢立果.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 037全球导航卫星系统数据预处理软件设计及实验教学应用卢立果，吴汤婷(东华理工大学 测绘工程学院，南昌 330013)摘要:全球导航卫星系统(GNSS)数据预处理是 GNSS 实验教学的基本知识要求，通过数据预处理可以检验观测任务是否达标，也可为数据处理提供“干净”的观测值。但是目前常用的 GNSS 数据预处理软件存在操作繁琐、交互性差和可视化薄弱等问题，制约着实验教学质量的提高。通过分析各 GNSS 数据预处理软件的特点，采用 Python 语言设计了一款可视化 GNSS 数据预处理软件，该软件具备数据下载、数据编辑和质量评估等预处理功能，还可提供时间转换、坐标转换和在线精密单点定位(PPP)服务等辅助功能。实践结果表明，在实验教学中使用该软件能够减轻学生数据处理中的重复劳动，激发学生参与实验的积极性和主动性，为构建高质量实验教学体系提供必要的软件支撑。关键词:全球导航卫星系统;数据预处理软件;可视化设计;实验教学中图分类号:G 642文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0190 05GNSS Data Preprocessing Software Design and ItsExperimental Teaching ApplicationLU Liguo，WU Tangting(Faculty of Geomatics，East China University of Technology，Nanchang 330013，China)Abstract:GNSS data preprocessing is the basic premise of GNSS experimental teaching It can check whether theobservation task meets the standard，and can also provide clean observations for data processing However，thecommonly used GNSS data preprocessing software has problems such as cumbersome operation，poor interaction，andweak visualization，which restrict the improvement of experimental teaching qualityTherefore，by analyzing thecharacteristics of various GNSS data preprocessing software，the author designs a visual GNSS data preprocessingsoftware with Python language The software has preprocessing functions such as data download，data editing and qualityevaluation，as well as auxiliary functions such as time conversion，coordinate conversion and online PPP servicesPractical results show that the use of this software in experimental teaching can reduce the repetition of studentsunderlying data，stimulate studentsenthusiasm and initiative in experiments，and provide necessary software support forbuilding a high-quality experimental teaching systemKeywords:globalnavigationsatellitesystem(GNSS);datapreprocessingsoftware;visualdesign;experimental teaching收稿日期:2022-04-23基金项目:国家自然科学基金项目(41804020);教育部第二批新工科研究与实践项目(E-KYDZCH20201814);江西省高等学校教学改革研究课题(JXJG-22-6-9);东华理工大学实验技术研究开发项目(DHSY-202245)作者简介:卢立果(1989 )，男，安徽宿州人，博士，副教授，主要从事测绘地理信息的科研与教学。Tel:18070155976;E-mail:lglu66163 com通信作者:吴汤婷(1990 )，女，江西抚州人，博士，讲师，主要从事测绘地理信息的科研与教学。Tel:13396064060;E-mail:ttwu ecut edu cn第 1 期卢立果，等:全球导航卫星系统数据预处理软件设计及实验教学应用0引言随着智能化时代用户对位置服务质量要求越来越高，高等学校测绘专业由传统的工程建设服务转变为泛在的空间信息服务，这也对高校测绘专业人才培养提出了新的需求1-2。课程教学是人才培养的核心要素，课程质量直接决定是否能向社会输送合格的导航定位人才。全球导航卫星系统(GNSS)测量与数据处理课程(以下简称 GNSS 课程)作为导航定位人才培养的重要载体，是一门理论与实践并重的专业课程，该课程的目标不仅要求学生理解掌握导航定位的基本原理，而且要能熟练使用导航设备进行数据采集，实现数据实时和事后处理等能力3-5。其中，GNSS 数据预处理是实验教学的关键环节，它不仅能检验测量任务是否规范，还能为数据处理提供有效数据信息6-7。但是目前常用的 GNSS 数据预处理软件(TEQC、GFZNX和 Anubis)存在操作繁琐、交互性差和可视化薄弱等问题8-10，无法有效满足实验教学的使用需求。因此，亟需开发一款可视化 GNSS 数据预处理软件来解决传统预处理模式的不足，用以改善 GNSS 课程实验的教学质量。1软件设计考虑到实验教学对数据获取、处理和分析的需求，采用模块化设计思想，基于 Python 语言开发了一款GNSS 数 据 预 处 理 软 件(GNSS Data PreprocessingSoftware，GDPS)，该软件由数据下载、数据编辑、质量评估和辅助工具 4 大模块组成，总体架构见图 1。图 1GNSS 数据预处理软件总体架构设计(1)数据下载模块。主要用于对观测数据、广播星历和精密星历的自动下载。在该模块，学生通过设定时间跨度、测站名称和数据来源等参数，下载模块会自动生成目标数据地址，启动多线程、异常处理和断点续传等功能，进行指定数据任务的快速下载。借助数据下载模块，学生可以高效地获取数据文件，有效规避传统人工模式(转换时间、寻找地址、选择站点、点击下载)的繁琐步骤。(2)数据编辑模块。主要用于对观测数据的版本转换、信息提取和分割拼接。在该模块，学生通过设定文件版本、采样间隔、观测时长、系统类型、导航卫星和码观测值等参数，数据编辑模块会自动生成指定标准数据格式(INEX)版本和文件信息的观测数据。借助数据编辑模块，学生可以高效地过滤数据信息，有效规避传统编辑模式的参数设置错误。同时，数据编辑模块也能与质量评估模块组合使用，剔除质量较差的观测数据，提升数据利用率。(3)质量评估模块。主要用于对观测数据质量综合评价。在该模块，学生可以分别从信噪比、伪距多路径、卫星可见性、电离层延迟及变率、数据完整率及饱满度、单点定位精度评定等方面可视化分析观测数据的质量情况，并研究各评估结果的统计特性，为后续削弱各误差因素对定位精度的影响提供先验信息。借助质量评估模块，学生可全面评估观测数据质量好坏，有效规避传统质量评估模式的功能不足和可视化薄弱等问题，获取有效观测数据，保障导航定位的精度。(4)辅助工具模块。主要是为学生提供个性化选择服务。在该模块，学生可以根据实验需求灵活转换时间系统和坐标系统，获取年积日、儒略日和全球定位系统(GPS)周等时间参数以及世界大地坐标系(WGS84)、2000 国家大地坐标系(CGCS2000)和站心坐标系等坐标参数。同时，学生也可借助在线精密单点定位(PPP)服务，如 APPS、magic_GNSS、CSS-PPP、Net_Diff 和 TX-PP 等11，快速进行静态/动态 PPP 解算，获取该站点的高精度三维坐标。根据上述功能模块流程设计，对 GDPS 软件界面设计如图 2 所示。(a)主界面(b)部分子界面图 2GDPS 软件界面设计191第 42 卷2教学应用将研制的 GDPS 软件应用于 GNSS 实验课程教学，显现了良好的教学性能，分别从数据下载、数据编辑、质量评估和辅助工具(如在线 PPP)等模块进行分析展示。2.1数据下载分析为对比传统人工模式和 GDPS 软件的下载效率，选取时间范围 2020/12/01 2021/12/01，文件版本为INEX 3.04 的 WUH2 站观测数据进行下载。图 3 所示为分别采用传统人工模式和 GDPS 软件下载观测数据的耗时统计结果。由图 3 可知，GDPS 软件的下载耗时随时间跨度的增加而呈缓慢增长;传统模式的下载耗时则随时间跨度的增加呈线性增长。充分说明GDPS 软件的下载耗时优于传统人工模式，并且随着测试时间长度的增加，两者间的耗时差异进一步扩大。其中，GDPS 软件下载效率提升的原因可分为两点:GDPS 软件处理能够极大缩短人工下载过程的无效耗时;采用了基于多线程的下载模式。通过两者的有效融合，可以实现海量下载任务互不干扰并发运行，提高 GDPS 软件的 CPU 利用率和 I/O 吞吐量，保证数据获取的稳定性12-13。图 3人工模式和 GDPS 软件的下载耗时对比2.2数据编辑分析为分析 GDPS 软件的编辑效果，选取了观测日期为 2021/10/01，INEX 3.04 的 WUH2 站观测数据(下文均采用该数据)。图 4 所示为 GDPS 软件对观测数据编辑的对比结果。由图可知，文件版本由 INEX3.04 转换为 INEX 2.11，卫星系统由多系统转换为单 GPS，GPS 观测值类型由 24 个转换为 14 个，采样间隔由 30 s 转换为 60 s，每个卫星观测值数据储存由一行转换为多行。通过 GDPS 软件的数据编辑，学生可以获取任意时间段、卫星频点和系统的 INEX 版本数据。对于高频观测数据，数据编辑模块能够降采样，减少数据冗余。(a)转换前(b)转换后图 4数据编辑前后文件对比2.3质量评估分析为分析 GDPS 软件的质量评估效果，选取了伪距多路径和卫星可见性两个指标值来具体研究 WUH2站的观测数据质量好坏。2 3 1伪距多路径图 5 所示为 WUH2 站北斗卫星导航系统(BDS)C39、C46 和 C59 卫星各频点上伪距多路径随高度角变化情况。由图可知，倾斜地球同步轨道(IGSO)C39和中圆地球轨道(MEO)C46 卫星的各频点上伪距多路径随高度角增大而呈现减小趋势14-16，B1c 频点的伪距多路径误差最小，其次为 B3I、B2a+b、B2b、B2a和 B1I;地球静止轨道(GEO)C59 卫星由于相对测站位置保持不变，因此高度角和伪距多路径趋于稳定变化，B2I 频点的伪距多路径误差最小，其次为 B3I 和B1I;当卫星高度角大于 30时，IGSO C39 和 MEO C46卫星的伪距多路径波动显著降低。通过伪距多路径的可视化，能让学生清晰