基于Anubis多模多頻GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)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(xué)測繪地理信息學(xué)院，濟(jì)南 250101)

0 引言

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

目前主流的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理軟件有由美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體(University NAVSTAR Consortium，UVAVCO)研制的TEQC(Translation，Editing and Quality Checking)，德國波茨坦地學(xué)研究中心(German Research Centre for Geosciences，GFZ)開發(fā)的GFZRNX，德國聯(lián)邦制圖和大地測量局(Bundesamt für Kartographie und Geod?sie，BKG)開發(fā)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(fā)的Anubis。TEQC作為應(yīng)用最為廣泛的處理軟件，可以對RINEX文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、內(nèi)容編輯和質(zhì)量檢查等操作，但僅支持RINEX2.11及以下版本，無法對北斗等數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查。在可視化方面，隨著近些年軟件的更新與優(yōu)化，TEQC生成的結(jié)果文件已由COMPACT1格式升級到COMPACT3格式，這直接導(dǎo)致了對結(jié)果文件進(jìn)行可視化的軟件QCVIEW32不能正常出圖；GFZRNX具有極強的數(shù)據(jù)編輯能力，支持RINEX3.02及以下版本，但其不能對衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行具體分析，也無法進(jìn)行可視化；BNC支持RINEX3.02版本，也可進(jìn)行可視化，但僅支持多路徑、信噪比等部分參數(shù)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(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星的觀測量，支持RINEX3.04及以下版本，可對多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的多路徑、周跳、信噪比等進(jìn)行全方位分析，數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測指標(biāo)豐富，同時使可視化變得更加便捷，內(nèi)容也更加豐富。許多學(xué)者對以上軟件進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[5]對比了Anubis與各種檢核工具的差異；文獻(xiàn)[6]利用編譯后的Anubis同TEQC分析結(jié)果進(jìn)行對比，肯定了Anubis對數(shù)據(jù)利用率、周跳以及信噪比的檢核能力；文獻(xiàn)[7]對Anubis的使用方法及可視化進(jìn)行了介紹，并分析了惡劣環(huán)境下多路徑的處理效果；文獻(xiàn)[8]從數(shù)據(jù)完整率、信噪比、周跳和多路徑誤差等四個方面，對BDS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估。對此，本文設(shè)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(shù)據(jù)，利用Anubis進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對其處理性能進(jìn)行驗證與分析。

1 Anubis與主流GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)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(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位分析及可視化，所支持的RINEX版本最高，對數(shù)據(jù)的綜合處理能力更強，相對其他軟件更具優(yōu)勢。

Anubis功能及使用方法如下。

Anubis的主要功能有數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括觀測數(shù)據(jù)信息檢查和星歷合并等；數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，包括計算信噪比、多路徑效應(yīng)、周跳等的影響；多系統(tǒng)衛(wèi)星的觀測量統(tǒng)計，包括數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)可用率、衛(wèi)星數(shù)量等；多系統(tǒng)定位計算、衛(wèi)星方位角與高度計算以及繪制衛(wèi)星相關(guān)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(xiàn)用戶所需功能的核心配置文件，只需要提前對該文件進(jìn)行配置，寫入需要處理數(shù)據(jù)的時間段、星系名稱、采樣間隔、測站名稱；輸入數(shù)據(jù)配置部分寫入衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)文件及星歷數(shù)據(jù)文件；質(zhì)量檢查配置部分寫入需要處理的各項指標(biāo)，如周跳、多路徑、信噪比等；輸出數(shù)據(jù)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(jié)果文件，利用官網(wǎng)給出的基于perl語言開發(fā)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(jié)果文件；eps為生成的圖像格式，還可以設(shè)為png、jpg等常見格式；“site [year: day]”為生成圖像的標(biāo)題，設(shè)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(jìn)行進(jìn)一步處理。

如需對其他數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可根據(jù)需要改動XML文件中的部分內(nèi)容，即可完成對多測站、多系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查以及可視化，相較于應(yīng)用受眾更為廣泛的TEQC更加快速便捷，且處理數(shù)據(jù)更加多元化。

表1 各檢核軟件對比

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核指標(biāo)

用戶常采用理論觀測值數(shù)量、實際觀測值數(shù)量、數(shù)據(jù)有效率、周跳數(shù)、多路徑效應(yīng)、信噪比等指標(biāo),對GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢核及評估數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣，以下對具體指標(biāo)進(jìn)行介紹。

2.1 數(shù)據(jù)有效率

數(shù)據(jù)有效率為可用觀測值數(shù)量與理論觀測值數(shù)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(shù)量是根據(jù)設(shè)置的衛(wèi)星截止高度角及獲取的衛(wèi)星星歷，計算可接收的衛(wèi)星觀測值個數(shù)，一般用來表示；可用觀測值數(shù)量是根據(jù)實際接收環(huán)境的影響，刪除部分不可用歷元后剩余的實際數(shù)據(jù)量，一般用來表示。

2.2 周跳

周跳是衡量觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，其能夠反映由于衛(wèi)星信號失鎖等因素導(dǎo)致的整周計數(shù)發(fā)生的突變。正確地探測并恢復(fù)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(yōu)缺點。TEQC利用電離層變化率判定有無周跳的發(fā)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(jìn)行周跳探測，通過不同歷元間的差分值與閾值進(jìn)行比對，超過閾值則認(rèn)定為周跳。

1)GF組合法：

=-

(2)

其中，為載波相位觀測值；為對應(yīng)頻率的波長；為與頻率無關(guān)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(jié)果文件中周跳情況用o/slps值來表示，其中o為觀測值數(shù)量，slps為周跳數(shù)量。

2.3 多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)是GNSS測量中干擾測量質(zhì)量的主要原因之一，在多路徑效應(yīng)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(jìn)行多路徑效應(yīng)計算，具體公式如下

MP=--(-)=++

(4)

(5)

其中，MP是偽距多路徑效應(yīng)；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(dāng)==1，=2時，有

(6)

當(dāng)==2，=1時，有

(7)

當(dāng)=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(zhì)量的重要指標(biāo)，其和接收機參數(shù)相關(guān)，數(shù)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(wèi)星每個歷元所對應(yīng)的信噪比值。若已知原始信號強度，可將其標(biāo)準(zhǔn)化，計算公式為

=min(max(int()，1)，9)

(9)

其中，為標(biāo)準(zhǔn)化信號強度；為原始信號強度。信噪比的數(shù)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(shù)據(jù)檢核方面的性能，一方面通過相同數(shù)據(jù)下與TEQC進(jìn)行比較，進(jìn)而設(shè)計可靠性分析實驗，全面驗證其對各項數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)的分析效果；另一方面，通過對不同環(huán)境接收的多系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)而設(shè)計可用性分析實驗，全面驗證其對不同環(huán)境下多數(shù)據(jù)反應(yīng)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與TEQC進(jìn)行對比。將兩軟件統(tǒng)一高度截止角設(shè)為10°，多路徑閾值設(shè)為50cm，周跳探測時間閾值設(shè)為10min。由表1可知，TEQC僅支持G、R系統(tǒng)，故本實驗只針對這兩系統(tǒng)分別從理論觀測值數(shù)量、實際觀測值數(shù)量、數(shù)據(jù)有效率、周跳數(shù)、多路徑效應(yīng)等指標(biāo)進(jìn)行對比，并繪制成圖，如圖1所示。

由觀測量統(tǒng)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(dāng)，但Anubis的統(tǒng)計策略更加寬松，導(dǎo)致Anubis對實際觀測值數(shù)據(jù)量比TEQC高約5%，相對的數(shù)據(jù)有效率也較高。此外，對2020-01-16日因供電故障造成短暫數(shù)據(jù)缺失，二者均能有效探測并反映。

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

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

圖1(c) 數(shù)據(jù)有效率對比Fig.1(c) Comparison of data efficiency

圖1(d) 周跳數(shù)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(shù)量趨勢變化上有一定的相關(guān)性，但在數(shù)量統(tǒng)計上存在差異。這種差異主要是由于TEQC采用設(shè)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(jìn)行探測，并具備對周跳類型進(jìn)行分類統(tǒng)計的功能，包括相位周跳、衛(wèi)星失鎖周跳、信號擾動周跳和歷元缺失周跳。在多路徑效應(yīng)檢核方面，如圖1(e)、(f)所示，在不經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理情況下，TEQC會對數(shù)據(jù)涉及的所有衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，給出各頻點多路徑效應(yīng)綜合影響，如圖1(e)中的mp1和mp2；而Anubis可將不同系統(tǒng)各頻點分別計算，在數(shù)據(jù)分析的靈活性，尤其是多系統(tǒng)融合優(yōu)化方面具有優(yōu)勢。為了進(jìn)一步比較和驗證Anubis分析各獨立系統(tǒng)不同頻點多路徑效應(yīng)影響的實際效果，利用TEQC數(shù)據(jù)編輯功能對原始觀測文件進(jìn)行預(yù)處理，得到單獨的G、R系統(tǒng)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行多路徑效應(yīng)分析，二者相對應(yīng)系統(tǒng)頻點多路徑互差在0.05m之內(nèi)。在測碼偽距標(biāo)準(zhǔn)單點定位方面，分別利用兩軟件對海島測站1個月的數(shù)據(jù)進(jìn)行單天解算，并對比解算結(jié)果與測站實際坐標(biāo)各方向的差值，如圖1(g)所示，Anubis精度和可靠性明顯優(yōu)于TEQC。

3.2 Anubis可用性分析

為了驗證Anubis對多導(dǎo)航系統(tǒng)不同定位環(huán)境下所獲取數(shù)據(jù)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(yán)重環(huán)境下1臺相同型號的接收機同步采集24h數(shù)據(jù)，利用Anubis分別處理后進(jìn)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(wèi)星數(shù)量對比Fig.3 Comparison of the number of visible satellites

由于測試站位于遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，相較于該區(qū)域制高點CORS站，利用Anubis進(jìn)行衛(wèi)星可見性及數(shù)據(jù)利用率分析可知，在可見衛(wèi)星數(shù)量上，測試站BDS減少最多達(dá)13顆，GLONASS保持不變，其他系統(tǒng)減少1～3顆衛(wèi)星，如圖3所示。根據(jù)該時段天空分布圖(圖4)可以明顯看出，BDS西側(cè)衛(wèi)星較密集，但西側(cè)墻體較高，遮擋嚴(yán)重，導(dǎo)致BDS可見衛(wèi)星數(shù)量減少較多，GLONASS雖然在數(shù)量上沒有變化，但其西側(cè)大部分衛(wèi)星軌跡出現(xiàn)稀疏及缺失的情況。利用Anubis進(jìn)一步對數(shù)據(jù)可用率進(jìn)行分析，CORS站各星座數(shù)據(jù)可用率可以達(dá)到100%，沒有對任何歷元進(jìn)行剔除；測試站部分?jǐn)?shù)據(jù)被剔除，其中GPS、BDS、GLONASS和Galileo剔除較多，達(dá)20%以上，位于東側(cè)的QZSS幾乎沒有剔除，如圖5所示。在周跳、多路徑、信噪比等質(zhì)量指標(biāo)分析方面，Anubis具有分系統(tǒng)、分類別或分頻點分析的特點。如圖6所示，Anubis給出不同系統(tǒng)的相位、衛(wèi)星失鎖、信號擾動、歷元缺失等四種類型周跳分析。與基準(zhǔn)站相比，測試站各系統(tǒng)各類型周跳都呈現(xiàn)了5倍以上的增長，尤其QZSS增長達(dá)15倍。如圖7所示(MP1、MP2、MP5、MP7、MP8為各系統(tǒng)各頻點多路徑效應(yīng))，CORS站各系統(tǒng)多路徑都在15cm以內(nèi)，而測試站出現(xiàn)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(tǒng)計方面，如圖8所示(S1C、S2C、S2S、S2P、S2I、S2W、S5Q、S7Q、S7I、S8Q為各系統(tǒng)相位觀測值信噪比),CORS站各衛(wèi)星系統(tǒng)值都在45dB·Hz以上，部分系統(tǒng)相位可達(dá)50dB·Hz，衛(wèi)星信號較穩(wěn)定，測試站各系統(tǒng)值出現(xiàn)明顯下降，部分相位數(shù)值接近40dB·Hz。參考該時段各系統(tǒng)衛(wèi)星分布圖及觀測量統(tǒng)計，以上各質(zhì)量指標(biāo)存在的波動主要由于測試站設(shè)置在西側(cè)墻面較高的不利環(huán)境下，西側(cè)衛(wèi)星受遮擋嚴(yán)重，而東側(cè)衛(wèi)星信號尤其是QZSS會產(chǎn)生較強的反射造成。

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

圖4(b) 測試站衛(wèi)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(shù)量對比Fig.6 Comparison of the number of cycle slips

圖7 各系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)論

1)與TEQC等GNSS數(shù)據(jù)處理軟件相比，Anubis可對最高版本的RINEX全系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核，尤其是支持對我國BDS數(shù)據(jù)的處理。從各項指標(biāo)分析結(jié)果上看，Anubis和TEQC差異不大，數(shù)據(jù)質(zhì)量分析性能相當(dāng)；但在單點定位方面，Anubis的定位結(jié)果相比TEQC更精確。

2)在數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)分析統(tǒng)計上，Anubis可對周跳類別進(jìn)行區(qū)分，對多路徑、信噪比頻點進(jìn)行細(xì)化，具有分系統(tǒng)、分類別或分頻點分析的特點。用戶在對數(shù)據(jù)分析時更具靈活性，尤其是多系統(tǒng)融合優(yōu)化方面具有優(yōu)勢。

3)針對不同的數(shù)據(jù)采集場景，Anubis都能及時地反映多系統(tǒng)數(shù)據(jù)各指標(biāo)的變化情況，且可視化內(nèi)容豐富。配合開發(fā)軟件可對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速可視化表達(dá)，極大提高了多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析效率。其衛(wèi)星觀測量統(tǒng)計、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查以及可視化等功能，可應(yīng)用于CORS系統(tǒng)的運行及維護(hù)上，包括CORS站選址及完備性檢測等方面。