基于Anubis 的北斗/GNSS 數據質量分析

岳金廣

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安)

引言

北斗衛星導航系統（BDS）是中國自主研制的全球衛星導航系統，也是繼GPS、GLONASS 之后第三個成熟的全球衛星導航系統。中國北斗衛星導航系統和美國GPS、俄羅斯 GLONASS、歐盟 GALILEO，是聯合國衛星導航委員會認定的四家衛星定位服務供應商。北斗系統不僅具有定位與導航、授時（PNT）功能，還具備獨特的短報文通信功能，使得一問世就引起了巨大的關注[1]。

北斗的應用已經出現在眾多產業升級之中，智能汽車、高速鐵路、能源開發、智慧物流、移動互聯網等領域的頭部企業，已經主動融入北斗的發展，拓展了企業發展的新模式，進而促進了我國衛星導航領域的極大發展[2]。

實現北斗/GNSS 廣泛應用的前提是能夠獲取高質量的觀測值數據，而這就需要進行數據預處理和數據質量分析。目前，通用的數據預處理/質量分析軟件是TEQC ( Translation , Editing and Quality Checking)[3]，通過命令行操作，實現觀測值文件的編輯和可視化操作。但由于TEQC 軟件已停止更新，最新版本不能兼容RINEX3.0x 之后的版本, 也不能很好的兼容BDS-3 系統的新頻點，基于上述原因，本文引入Anubis 處理北斗/GNSS 觀測數據，通過實際案例分析數據完整率、多路徑效應、信噪比等數據質量分析指標，得出一些有用的結論。

1 Anubis 使用簡介

Anubis 是由捷克國家大地測量、地形與地圖制圖研究所開發的一個GNSS 數據預處理軟件，可以實現對GPS、GLONASS、伽利略、北斗、SBAS、QZSS、IRNSS等衛星系統的觀測值進行質量檢核和分析，并將檢核和分析結果繪制成圖。Anubis 是開源免費軟件，最新版本是3.6，軟件提供了包括Windows、Linux、macOS等多種操作系統的版本。和TEQC 軟件類似，該軟件可以通過命令行運行[4]。

軟件的使用方法如下，首先在軟件官網下載適配于系統的程序文件。此處以Linux 系統為例，下載的文件為：anubis-3.6-lin-static-64b。將下載后的程序文件名改為“Anubis.exe”。進入程序所在目錄，打開終端，執行anubis 命令即可使用該程序。

Anubis 使用可擴展標記語言（XML）格式定義配置文件名的參數，下面的命令可以輸出一個包含默認項的配置文件：

anubis -X 2>anubis_defaults.xml

配置文件的主要參數設置見表1。

表1 配置文件主要參數

文件配置完成后，使用配置文件啟動Anubis 軟件，在終端輸入

anubis -x config.xml -l process.log上面的命令是從當前目錄的config.xml 文件加載配置信息，然后進行處理，數據處理日志將記錄在process.log 文件中。程序執行成功后，一般會生成三個結果文件，其中*.log 文件是日志文件；*.xml 文件存儲處理結果的簡要信息；*.xtr 文件存儲處理結果的詳細信息。安裝繪圖腳本后可使用*.xtr 文件實現結果數據的可視化。具體操作如下：在結果文件目錄下，啟動終端，輸入

SITE 表示處理的測站名稱，YEAR 表示年份，DOY 表示文件數據采集日期對應的年積日。

2 案例分析

基于上述操作，現在使用Anubis 處理北斗/GNSS多系統觀測數據，案例觀測值數據來自某工程實測數據，采樣時間為2023 年2 月23 日，持續時間24 h，采樣間隔為15 s，站點名稱命名為TEST。經過處理得到兩個結果文件，TEST.xml 和TEST.xtr。

2.1 數據完整率

數據完整率是表征接收機性能及衛星系統的一個重要指標，在進行數據預處理時，數據完整率是首先需要考慮的指標。它能夠反映接收機在采集數據時數據丟失的情況。如圖1 所示，在觀測文件的某一數據塊中，由于某種原因，導致部分數據缺失，其中標紅位置是出現數據缺失的地方。

圖1 數據缺失情況

在處理過程中，Anubis 首先讀取觀測文件中頭文件的觀測值類型、間隔和采樣時間計算出當前觀測值文件中理論上的觀測值數量，然后統計出觀測值的實際數量，兩者的比值即為該觀測值文件的數據完整率。該指標的計算公式如下所示：

其中，Intergrity為數據完整率，Obs_r為實際觀測值數量，Obs_t為理論觀測值數量。表2 為四個系統的數據完整率統計表。

表2 數據完整率統計表

從表2 可知，Exp>15 為截止高度角大于15°時的理論觀測值數量，Hav>15 為觀測文件中實際存在的觀測值數量。四個衛星系統相比，BDS 和GPS 數據完整率最高，Galieo 稍低，GLONASS 系統數據完整率最低。

2.2 多路徑效應

信號從多個路徑傳播至接收機處引起的干涉延遲效應稱之為多路徑效應。多路徑效應與測站周邊的環境密切相關，通過多路徑效應這一指標能夠評估接收機質量以及測站周邊環境的優劣。圖2 是多路徑效應產生的示意圖。

圖2 多路徑誤差信號的產生

多徑效應影響了GNSS 基本的觀測量，即偽距和載波相位，但前者的影響要更大，并且在接收機類型之間變化較大。

Anubis 在計算多路徑誤差時采用了一個新的計算公式，該公式將偽距和載波相位進行組合，實現對所有頻點的偽距多路徑的計算。

計算公式如下[5]

圖3（M1C、M2W、M5Q、M1C、M2C、M1P、M2I、M5P、M6I、M7I 分別代表不同衛星系統，不同頻點的偽距多路徑誤差，從圖3 中可以看出BDS M5P 對應觀測值的多路徑誤差最大，BDS M7I 對應的值最小。

圖3 各系統觀測值多路徑誤差統計

2.3 信噪比

信噪比（signal-noise ratio,SNR）時指衛星信號強度和環境噪聲強度的比值[6]，其主要和接收機天線、接收機狀態以及多路徑效應有關，是反映載波相位觀測質量的重要指標之一。信噪比越大則代表信號強度越高。

從圖4（S1C、S2W、S5Q、S1I、S2C、S1C、S5Q、S7Q、S1PW、S2I、S5P、S6I、S7I 為相應相位觀測值的信噪比）可看出測站四個系統中，觀測數據信噪比相差不大，基本均處于45 dBHz 左右,數據質量較好。

圖4 各系統觀測值信噪比統計

3 結論

本文提出了一種新的北斗/GNSS 衛星數據質量分析的方法來彌補TEQC 軟件的不足之處。通過引入Anubis 這一軟件，簡要介紹了軟件的使用方法。然后通過實測數據，對觀測數據的數據完整率、多路徑效應以及信噪比三個重要的指標進行了分析，結果表明，Anubis 軟件能夠很好地兼容四大衛星系統（GPS、GLONASS、Galieo、BDS）及各頻點。通過計算表明，在數據完整率方面，BDS 和GPS 數據完整率最高，Galieo稍低，GLONASS 系統數據完整率最低。在多路徑方面BDS M5P 對應觀測值的多路徑效應最嚴重，BDS M7I對應的值最小。在信噪比方面，各系統觀測數據相差不大，穩定在45 dBHz 左右。