基于Anubis多模多頻GNSS數據質量檢核性能驗證與分析

桑文剛，盧 凱，寧一鵬，相鵬宇，柴大帥

(山東建筑大學測繪地理信息學院，濟南 250101)

0 引言

隨著我國的北斗衛星導航系統(BeiDou Naviga-tion Satellite System，BDS)全面建成及投入使用，歐盟的伽利略衛星導航系統(Galileo Navigation Satellite System，Galileo)加緊建設，美國的全球定位系統(Glo-bal Positioning System，GPS)與俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GLONASS)升級換代，日本的準天頂衛星系統 (Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)、印度的區域導航衛星系統 (Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)以及空基、地基增強系統(Satellite-Based Aug-mentation System，SBAS)涌現，用戶逐步從單一GPS過度到多星座、多系統、多模多頻的全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)“四多”時代。用戶基于如此豐富的GNSS觀測數據，首先需采用全面高效的預處理策略，進行數據編輯、質量檢查及可視化分析，以獲取高精度、高可靠性的導航、定位及時間信息。

目前主流的衛星數據處理軟件有由美國衛星導航系統與地殼形變觀測研究大學聯合體(University NAVSTAR Consortium，UVAVCO)研制的TEQC(Translation，Editing and Quality Checking)，德國波茨坦地學研究中心(German Research Centre for Geosciences，GFZ)開發的GFZRNX，德國聯邦制圖和大地測量局(Bundesamt für Kartographie und Geod?sie，BKG)開發的BNC(BKG Ntrip Client)，以及由捷克國家大地測量、地形與地圖制圖研究所開發的Anubis。TEQC作為應用最為廣泛的處理軟件，可以對RINEX文件進行格式轉換、內容編輯和質量檢查等操作，但僅支持RINEX2.11及以下版本，無法對北斗等數據進行質量檢查。在可視化方面，隨著近些年軟件的更新與優化，TEQC生成的結果文件已由COMPACT1格式升級到COMPACT3格式，這直接導致了對結果文件進行可視化的軟件QCVIEW32不能正常出圖；GFZRNX具有極強的數據編輯能力，支持RINEX3.02及以下版本，但其不能對衛星數據質量指標進行具體分析，也無法進行可視化；BNC支持RINEX3.02版本，也可進行可視化，但僅支持多路徑、信噪比等部分參數可視化，且可視化可靠性較差；Anubis作為新興軟件，支持幾乎所有導航衛星系統衛星的觀測量，支持RINEX3.04及以下版本，可對多系統數據的多路徑、周跳、信噪比等進行全方位分析，數據質量檢測指標豐富，同時使可視化變得更加便捷，內容也更加豐富。許多學者對以上軟件進行了相關研究，文獻[5]對比了Anubis與各種檢核工具的差異；文獻[6]利用編譯后的Anubis同TEQC分析結果進行對比，肯定了Anubis對數據利用率、周跳以及信噪比的檢核能力；文獻[7]對Anubis的使用方法及可視化進行了介紹，并分析了惡劣環境下多路徑的處理效果；文獻[8]從數據完整率、信噪比、周跳和多路徑誤差等四個方面，對BDS觀測數據質量進行評估。對此，本文設計了與TEQC軟件的對比實驗，以驗證Anubis的可靠性，基于不同場景的多實測數據，利用Anubis進行數據處理，并對其處理性能進行驗證與分析。

1 Anubis與主流GNSS數據質量檢核軟件比較

通過表1各軟件功能的對比可以看出，Anubis可以對多系統數據進行全方位分析及可視化，所支持的RINEX版本最高，對數據的綜合處理能力更強，相對其他軟件更具優勢。

Anubis功能及使用方法如下。

Anubis的主要功能有數據預處理，包括觀測數據信息檢查和星歷合并等；數據質量檢查，包括計算信噪比、多路徑效應、周跳等的影響；多系統衛星的觀測量統計，包括數據量、數據可用率、衛星數量等；多系統定位計算、衛星方位角與高度計算以及繪制衛星相關可視化圖等。

類似于TEQC，該程序也在命令行窗口運行，利用命令

Anubis-x config.xml -l process.log -v 9

其中，config.xml是實現用戶所需功能的核心配置文件，只需要提前對該文件進行配置，寫入需要處理數據的時間段、星系名稱、采樣間隔、測站名稱；輸入數據配置部分寫入衛星觀測數據文件及星歷數據文件；質量檢查配置部分寫入需要處理的各項指標，如周跳、多路徑、信噪比等；輸出數據配置部分可自定義生成報告的名稱。在配置完成后，由上述命令可生成.xtr和.xqc兩個結果文件，利用官網給出的基于perl語言開發的繪圖腳本Anubis_plot.pl繪圖。同樣在命令行窗口，利用命令plot_Anubis.pl--ifile.xtr--plot=“.eps” --all --all --title =“site [year: day]”

其中，xtr為結果文件；eps為生成的圖像格式，還可以設為png、jpg等常見格式；“site [year: day]”為生成圖像的標題，設置為測站名和日期即可。若對其生成的圖像在格式及清晰度上有更高的要求，可利用軟件THE GENERIC MAPPING TOOLS(GMT6)進行進一步處理。

如需對其他數據進行處理，可根據需要改動XML文件中的部分內容，即可完成對多測站、多系統各項數據的質量檢查以及可視化，相較于應用受眾更為廣泛的TEQC更加快速便捷，且處理數據更加多元化。

表1 各檢核軟件對比

2 數據質量檢核指標

用戶常采用理論觀測值數量、實際觀測值數量、數據有效率、周跳數、多路徑效應、信噪比等指標,對GNSS數據質量進行檢核及評估數據質量的優劣，以下對具體指標進行介紹。

2.1 數據有效率

數據有效率為可用觀測值數量與理論觀測值數量之比，一般用來表示，其計算公式為

=×100%

(1)

其中，理論觀測值數量是根據設置的衛星截止高度角及獲取的衛星星歷，計算可接收的衛星觀測值個數，一般用來表示；可用觀測值數量是根據實際接收環境的影響，刪除部分不可用歷元后剩余的實際數據量，一般用來表示。

2.2 周跳

周跳是衡量觀測數據質量的重要指標之一，其能夠反映由于衛星信號失鎖等因素導致的整周計數發生的突變。正確地探測并恢復周跳是載波相位測量中極為重要且必須解決的問題之一，其探測方法有很多，例如高次差法、多項式擬合法、電離層殘差法、小波分析法等，這些方法各有優缺點。TEQC利用電離層變化率判定有無周跳的發生，超出閾值則判定為周跳；Anubis利用Geometry-Free(GF組合)、Melbourne-Wubbean(MW組合)兩種組合方式進行周跳探測，通過不同歷元間的差分值與閾值進行比對，超過閾值則認定為周跳。

1)GF組合法：

=-

(2)

其中，為載波相位觀測值；為對應頻率的波長；為與頻率無關的電離層延遲影響；為載波相位觀測值的頻率；為整周模糊度。

2)MW組合法：

=(-)

(3)

其中，為MW組合約為86cm波長；為偽距觀測值。

相對TEQC，這種組合法可以更加深入地探測周跳。結果文件中周跳情況用o/slps值來表示，其中o為觀測值數量，slps為周跳數量。

2.3 多路徑效應

多路徑效應是GNSS測量中干擾測量質量的主要原因之一，在多路徑效應的計算中，Anubis利用載波相位觀測值和偽距的線性組合，采用新的通用公式對所有GNSS的觀測值進行多路徑效應計算，具體公式如下

MP=--(-)=++

(4)

(5)

其中，MP是偽距多路徑效應；是雙頻偽距觀測值；是雙頻載波相位觀測值；是頻率；、和是頻率索引。

當==1，=2時，有

(6)

當==2，=1時，有

(7)

當=5，=1，=2時,有

(8)

2.4 信噪比

信噪比是載波相位強度和噪聲強度的比值，單位為dB·Hz，是反映載波相位觀測質量的重要指標，其和接收機參數相關，數值越大代表信號越強，一般用SNR來表示。從觀測文件中可以直接獲取衛星每個歷元所對應的信噪比值。若已知原始信號強度，可將其標準化，計算公式為

=min(max(int()，1)，9)

(9)

其中，為標準化信號強度；為原始信號強度。信噪比的數值越大代表信號越強，觀測精度越高。

3 Anubis性能分析及驗證

為了驗證Anubis數據檢核方面的性能，一方面通過相同數據下與TEQC進行比較，進而設計可靠性分析實驗，全面驗證其對各項數據質量指標的分析效果；另一方面，通過對不同環境接收的多系統數據進行比較，進而設計可用性分析實驗，全面驗證其對不同環境下多數據反應的靈敏程度。

3.1 Anubis可靠性分析

選取某海島GNSS永久觀測站2020-01-01到2020-01-31觀測數據進行處理，并與TEQC進行對比。將兩軟件統一高度截止角設為10°，多路徑閾值設為50cm，周跳探測時間閾值設為10min。由表1可知，TEQC僅支持G、R系統，故本實驗只針對這兩系統分別從理論觀測值數量、實際觀測值數量、數據有效率、周跳數、多路徑效應等指標進行對比，并繪制成圖，如圖1所示。

由觀測量統計圖1(a)、(b)、(c)可知，Anubis與TEQC處理得到的理論觀測量基本相當，但Anubis的統計策略更加寬松，導致Anubis對實際觀測值數據量比TEQC高約5%，相對的數據有效率也較高。此外，對2020-01-16日因供電故障造成短暫數據缺失，二者均能有效探測并反映。

圖1(a) 理論觀測值數量對比Fig.1(a) Comparison of the numbers of theoretical observations

圖1(b) 實際觀測值數量對比Fig.1(b) Comparison of the numbers of actual observations

圖1(c) 數據有效率對比Fig.1(c) Comparison of data efficiency

圖1(d) 周跳數量對比Fig.1(d) Comparison of cycle slip

圖1(e) TEQC各頻點多路徑對比Fig.1(e) Multipath comparison of each frequency point of TEQC

圖1(f) Anubis各頻點多路徑對比Fig.1(f) Multipath comparison of each frequency point of Anubis

圖1(g) 單點定位各方向差值對比Fig.1(g) Single point positioning difference in each direction

在周跳探測方面，如圖1(d)所示，二者在周跳數量趨勢變化上有一定的相關性，但在數量統計上存在差異。這種差異主要是由于TEQC采用設置閾值的電離層變化率判別，而Anubis則采用偽距與載波線性組合觀測值模式進行探測，并具備對周跳類型進行分類統計的功能，包括相位周跳、衛星失鎖周跳、信號擾動周跳和歷元缺失周跳。在多路徑效應檢核方面，如圖1(e)、(f)所示，在不經過數據預處理情況下，TEQC會對數據涉及的所有衛星系統進行整體分析，給出各頻點多路徑效應綜合影響，如圖1(e)中的mp1和mp2；而Anubis可將不同系統各頻點分別計算，在數據分析的靈活性，尤其是多系統融合優化方面具有優勢。為了進一步比較和驗證Anubis分析各獨立系統不同頻點多路徑效應影響的實際效果，利用TEQC數據編輯功能對原始觀測文件進行預處理，得到單獨的G、R系統數據后再進行多路徑效應分析，二者相對應系統頻點多路徑互差在0.05m之內。在測碼偽距標準單點定位方面，分別利用兩軟件對海島測站1個月的數據進行單天解算，并對比解算結果與測站實際坐標各方向的差值，如圖1(g)所示，Anubis精度和可靠性明顯優于TEQC。

3.2 Anubis可用性分析

為了驗證Anubis對多導航系統不同定位環境下所獲取數據的檢核效果及靈敏程度，選擇我校逸夫樓樓頂開闊位置，可以接收GPS、GLONASS、Galileo、BDS以及QZSS單CORS基站，以及位于該基站附近、遮擋嚴重環境下1臺相同型號的接收機同步采集24h數據，利用Anubis分別處理后進行對比分析，實驗場景布置如圖2所示。

圖2 實驗場地概況Fig.2 Overview of the experimental site

圖3 可見衛星數量對比Fig.3 Comparison of the number of visible satellites

由于測試站位于遮擋嚴重的區域，相較于該區域制高點CORS站，利用Anubis進行衛星可見性及數據利用率分析可知，在可見衛星數量上，測試站BDS減少最多達13顆，GLONASS保持不變，其他系統減少1～3顆衛星，如圖3所示。根據該時段天空分布圖(圖4)可以明顯看出，BDS西側衛星較密集，但西側墻體較高，遮擋嚴重，導致BDS可見衛星數量減少較多，GLONASS雖然在數量上沒有變化，但其西側大部分衛星軌跡出現稀疏及缺失的情況。利用Anubis進一步對數據可用率進行分析，CORS站各星座數據可用率可以達到100%，沒有對任何歷元進行剔除；測試站部分數據被剔除，其中GPS、BDS、GLONASS和Galileo剔除較多，達20%以上，位于東側的QZSS幾乎沒有剔除，如圖5所示。在周跳、多路徑、信噪比等質量指標分析方面，Anubis具有分系統、分類別或分頻點分析的特點。如圖6所示，Anubis給出不同系統的相位、衛星失鎖、信號擾動、歷元缺失等四種類型周跳分析。與基準站相比，測試站各系統各類型周跳都呈現了5倍以上的增長，尤其QZSS增長達15倍。如圖7所示(MP1、MP2、MP5、MP7、MP8為各系統各頻點多路徑效應)，CORS站各系統多路徑都在15cm以內，而測試站出現大約10～15cm的上漲，QZSS部分頻點多路徑值上漲超出18cm。在信噪比統計方面，如圖8所示(S1C、S2C、S2S、S2P、S2I、S2W、S5Q、S7Q、S7I、S8Q為各系統相位觀測值信噪比),CORS站各衛星系統值都在45dB·Hz以上，部分系統相位可達50dB·Hz，衛星信號較穩定，測試站各系統值出現明顯下降，部分相位數值接近40dB·Hz。參考該時段各系統衛星分布圖及觀測量統計，以上各質量指標存在的波動主要由于測試站設置在西側墻面較高的不利環境下，西側衛星受遮擋嚴重，而東側衛星信號尤其是QZSS會產生較強的反射造成。

圖4(a) CORS站衛星天空分布Fig.4(a) Sky trace of CORS station

圖4(b) 測試站衛星天空分布Fig.4(b) Sky trace of test station

圖5 可用歷元占比對比Fig.5 Percentage of available epochs

圖6 周跳數量對比Fig.6 Comparison of the number of cycle slips

圖7 各系統不同頻點多路徑對比Fig.7 Multipath comparison of different frequency points for each system

圖8 各系統不同相位觀測類型信噪比對比Fig.8 SNR of different phase observation types for each system

4 結論

1)與TEQC等GNSS數據處理軟件相比，Anubis可對最高版本的RINEX全系統衛星數據進行質量檢核，尤其是支持對我國BDS數據的處理。從各項指標分析結果上看，Anubis和TEQC差異不大，數據質量分析性能相當；但在單點定位方面，Anubis的定位結果相比TEQC更精確。

2)在數據質量指標分析統計上，Anubis可對周跳類別進行區分，對多路徑、信噪比頻點進行細化，具有分系統、分類別或分頻點分析的特點。用戶在對數據分析時更具靈活性，尤其是多系統融合優化方面具有優勢。

3)針對不同的數據采集場景，Anubis都能及時地反映多系統數據各指標的變化情況，且可視化內容豐富。配合開發軟件可對數據進行快速可視化表達，極大提高了多系統數據的分析效率。其衛星觀測量統計、數據質量檢查以及可視化等功能，可應用于CORS系統的運行及維護上，包括CORS站選址及完備性檢測等方面。