Anubis在GNSS數(shù)據(jù)質量可視化分析中的應用

康朝虎，劉 寧，2，田永瑞，蔡曉軍，李宇磊

(1.長安大學 地質工程與測繪學院，西安 710054；2.地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054)

0 引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)發(fā)展迅猛，繼美國的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)和歐洲的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)之后，中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)也日益表現(xiàn)出卓越的導航、定位能力[1]。高精度位置信息的獲取必然依賴GNSS數(shù)據(jù)預處理，數(shù)據(jù)質量檢查提供的信息不僅有利于數(shù)據(jù)后處理，還有益于高質量觀測數(shù)據(jù)的收集、存儲[2]。上述多種系統(tǒng)、信號、頻率的出現(xiàn)給GNSS數(shù)據(jù)預處理帶來了新的挑戰(zhàn)。RINEX3.0x格式已經(jīng)包容了上述提到的所有系統(tǒng)、所有頻段的數(shù)據(jù)[3]。此外，由國際GNSS服務組織(The International GNSS Service，IGS)發(fā)起的多模GNSS實驗跟蹤網(wǎng)(multi-GNSS experiment，MGEX)運動提供的實驗數(shù)據(jù)最為豐富，且這些數(shù)據(jù)在實驗分析之前需要合理的檢查[4]。面對如此豐富的GNSS觀測值，對其進行全面高效的檢查分析就顯得格外重要。

目前常用的GNSS數(shù)據(jù)預處理軟件有BNC(BKG ntrip client)及TEQC(translation，editing and quality checking)，但只有BNC是開源的，且支持RINEX3.0x格式，但其操作相對復雜[5]。國內(nèi)學者對上述預處理軟件進行了相關研究。文獻[5]利用改進的BNC對BDS觀測數(shù)據(jù)進行檢查分析；文獻[6]利用TEQC對不同環(huán)境下的實測GPS數(shù)據(jù)進行了質量分析；文獻[7]對TEQC在GPS數(shù)據(jù)質量檢核中的應用進行了分析，然后利用TEQC進行了單點定位計算并分析；文獻[8]對TEQC處理結果文件的可視化方法進行對比，提出利用RTKLIB對觀測文件進行質量檢查和繪圖。上述研究都是對單一系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行預處理，且所用軟件TEQC不支持RINEX3.0x格式、BNC操作相對復雜?；诖耍疚囊胍环N新興GNSS數(shù)據(jù)預處理軟件Anubis，并用其處理MGEX多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)，通過分析，得出一些有益結論。

1 Anubis簡介

Anubis 是一個GNSS 數(shù)據(jù)預處理新興軟件，由捷克國家大地測量、地形與地圖制圖研究所開發(fā)。Anubis可以對GPS、GLONASS、Galileo、BDS、星基增強系統(tǒng)(satellite-based augmentation system，SBAS)、日本的準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(quasi-zenith satellite system，QZSS)和印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)(indian regional navigation satellite system，IRNSS)的觀測量進行質量檢核與分析，且支持RINEX2.xx和RINEX3.0x格式。此軟件功能全面，具體包括數(shù)據(jù)缺失和小數(shù)據(jù)塊檢測、觀測值可用頻帶統(tǒng)計、周跳和鐘跳檢測、多路徑效應影響估計、計算信噪比等，若同時提供導航數(shù)據(jù)還可以進行標準單點定位、方位角和高度角計算。Anubis 軟件免費開源，支持 Windows、Linux 和 macOS 等常見操作系統(tǒng)[3]。類似于 TEQC，該軟件也在命令行窗口運行。通過預設好的配置文件，Anubis一次可對多個RINEX文件進行并行預處理操作，此舉可簡化處理流程，提高效率。Anubis的第一版于2013年發(fā)布，目前最新版本是Anubis2.1.2。下載網(wǎng)址為http：//www.pecny.cz[3]。

1.1 使用方法

下載與計算機操作系統(tǒng)匹配的軟件(以Windows操作系統(tǒng)為例)并將其重命名為anubis，后綴改為exe，在dos窗口進入軟件所在目錄。Anubis可接收的命令行參數(shù)有-h、-V、-v、-x、-l、-X，各參數(shù)示意如下：-h：顯示幫助信息；-V：顯示軟件版本信息；-v：日志文件的詳細程度，v的取值為0～9；-x：輸入配置文件；-l：輸出日志文件；-X：輸出默認的配置文件。在命令行輸入：anubis-X 2>default_config.xml即可得到一個缺省的配置文件，根據(jù)處理需要對配置文件進行修改。然后使用xml格式的配置文件來啟動Anubis，在命令行輸入：anubis-x config.xml或anubis

表1 配置文件的組成及功能

1.2 可視化操作

Anubis目前僅具有數(shù)據(jù)質量檢查功能，處理結果文件的可視化還得借助繪圖腳本。具體步驟為：

1)從http：//www.pecny.cz網(wǎng)站下載perl繪圖腳本；

2)檢查計算機是否安裝了perl編譯工具，若沒有則進行安裝；

3)下載并安裝Chart-Gnuplot源碼包；

4)利用腳本進行繪圖。

以linux系統(tǒng)下的操作為例，簡要說明繪圖命令。顯示繪圖幫助信息的命令是：

perl plot_Anubis.pl --help

若想一次畫出所有的圖形，則可運行命令：

perl plot_Anubis.pl--ifile ANUBIS.xtr-plot=”anubis.png”--all--all--title=”SITE[YEAR：DOY]”(其中ANUBIS.xtr表示Anubis的處理結果文件，SITE、YEAR和DOY分別表示站點名稱、年、年積日。)

也可以根據(jù)繪圖命令提示僅畫某一類圖或繪圖時選擇性禁用某些系統(tǒng)的處理數(shù)據(jù)。此外，繪圖腳本是開源的，可以根據(jù)自己的需要適當修改腳本，以得到所需的繪圖結果。

2 多系統(tǒng)數(shù)據(jù)預處理

2.1 Anubis可靠性驗證

分別用Anubis和TEQC對2015年年積日第36天IGS長春站的GPS觀測數(shù)據(jù)和武漢站的GLONASS數(shù)據(jù)進行處理。然后將2種軟件計算的每顆衛(wèi)星多路徑誤差均值的均方根值(root mean square，RMS)作差(Anubis結果減去TEQC結果)，由圖1、圖2(dMP1為L1頻率的多路徑之差，dMP2為L2頻率的多路徑之差)可以看出，2種軟件的處理結果有差異，這是由于Anubis調整了周跳探測、觀測時間窗口等的相關程序[3]，但差值多半小于4 cm。上述結果表明Anubis是可信的。

2.2 Anubis實例應用

基于以上分析，利用Anubis處理MGEX多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)。多系統(tǒng)數(shù)據(jù)為從ftp：//cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/campaign/mgex/daily/rinex3/[9]下載的2015年年積日第365天的brdm3650.15p與jfng站24 h觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s，接收機為TRIMBLE NETR9，天線為TRM59800.00。經(jīng)處理得到2個結果文JFNG.xtr、JFNG.xml，然后對JFNG.xtr文件進行可視化操作并加以分析。其中xml文件中的總結信息見表2。

表2 JFNG.xtr文件中的總結信息

2.2.1 基于Anubis的單點定位精度分析

由于同時提供了導航文件，Anubis可以進行單點定位計算。圖3中點的位置表示平面定位結果，點狀大小根據(jù)幾何精度因子(geometric dilution precision，GDOP)值大小而畫。由圖3、圖4(GLO為GLONASS的簡寫)可知，對于該測站GPS的標準單點定位效果最好，BDS次之，GLONASS精度較差，且3個系統(tǒng)定位結果中東(E)方向精度最高，天頂(U)方向精度最差。其次，BDS的GDOP值較另2個系統(tǒng)稍大。

2.2.2 多路徑效應

由多個路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應被稱為多路徑效應[10-11]。多路徑效應具有時空環(huán)境效應，其大小與測站周邊環(huán)境的好壞有很大的相關性。多路徑誤差的分析結果，有助于接收機性能評估及測站周邊環(huán)境的判斷[8]。多路徑效應對偽距觀測值和載波相位觀測值都有影響，但對前者的影響更大，最大可達碼元寬度的1/2，因此，偽距多路徑誤差為主要考慮對象[12]。

在對多路徑效應進行計算時，Anubis采用了新的通用公式，通過偽距和載波相位觀測值的線性組合可以對所有GNSS系統(tǒng)的雙頻觀測值進行多路徑估計。計算公式[3]為

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLj

(1)

(2)

式中：MP是偽距多路徑效應；P是雙頻偽距觀測值；L是雙頻載波相位觀測值；f是頻率；k、i和j是頻率索引。

當k=i=1，j=2時有

(3)

當k=i=2，j=1時有

(4)

當k=5，i=1，j=2時有

(5)

圖5(SBS為SBAS的簡寫，QZS為QZSS的簡寫，GAL為Galileo的簡寫；M1C、M2C、M1I、M5I、M6I、M7I、M1P、M2P、M2W、M1X、M2X、M5X、M7X、M8X分別代表相應偽距觀測值的多路徑誤差)展示了jfng站接收的各種數(shù)據(jù)的多路徑情況，從圖5中可以看出SBAS M1C對應觀測值的多路徑效應最嚴重，而Galileo M8X的值最小。從圖6(C1C、C2W、C2X、C5X為GPS的偽距觀測值)可以明顯看出衛(wèi)星的多路徑誤差隨時間的變化情況，衛(wèi)星的多路徑誤差圖基本呈現(xiàn)兩頭大中間小的趨勢，與衛(wèi)星升起降落過程中高度角變化情況相對應[7，13]。圖7為GPS C5X觀測值對應衛(wèi)星的高度角隨時間的變化情況。

2.2.3 信噪比

信噪比(signal-noise ratio，SNR)是載波信號強度與噪聲強度的比值，其主要受天線增益參數(shù)、接收機中相關器的狀態(tài)和多路徑效應的影響，是反映載波相位觀測質量的指標之一[14]。信噪比的值越大，表明信號越強。從圖8(S1C、S2C、S1I、S5I、S6I、S7I、S1P、S2P、S2W、S1X、S2X、S5X、S7X、S8X為相應相位觀測值的信噪比)可看出jfng站各系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的信噪比均值相差無幾，基本在45 dB·Hz左右，表明數(shù)據(jù)質量較好。衛(wèi)星在升起和降落時，高度角較小，從圖9可以看出各個衛(wèi)星的信噪比圖基本呈現(xiàn)兩頭小中間大的梭形，這表明當衛(wèi)星高度角越大時，接收機接收的數(shù)據(jù)信噪比越高，其質量越好。

3 惡劣環(huán)境下Anubis多路徑效應分析

此外，利用Anubis對3種類型接收機在高壓線下2個時段的觀測數(shù)據(jù)進行處理，重點分析在電磁波干擾下的多路徑誤差，以比較不同類型接收機抑制電磁波干擾的能力。其中5號測站與6號測站均位于高壓線正下方且距鐵塔很近，觀測環(huán)境較差。較差觀測環(huán)境更能反映接收機性能，所以本文選取5號測站與6號測站的數(shù)據(jù)進行分析。數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場及測站的位置分布見圖10、圖11。

圖12～圖15(MP1代表L1頻率下的多路徑誤差、MP2代表L2頻率下的多路徑誤差)為1時段3種接收機觀測的GPS數(shù)據(jù)L1、L2頻率下多路徑的RMS，圖16～圖19為2時段3種接收機觀測的GPS數(shù)據(jù)L1、L2頻率下多路徑的RMS。其中3種接收機分別為：華測X900接收機(hc)、南方S86-2013接收機(s86)、南方銀河一號接收機(yh)。綜合圖12～圖15可以看出：南方S86-2013接收機在5、6號測站觀測值的多路徑誤差均值比另2種接收機至少小2 cm；由圖16～圖19可看出：南方S86-2013接收機在5號測站觀測值的多路徑誤差均值比另2種接收機至少小2 cm，在6號測站至少小4 cm。而由圖12～圖19可知南方銀河一號接收機觀測值的多路徑誤差比華測X900稍大，但二者差別不明顯。綜上可得南方S86-2013接收機抑制電磁波干擾的效果比另2種機型略好。

4 結束語

1)分別利用TEQC與Anubis處理IGS參考站單天觀測數(shù)據(jù)，多路徑誤差結果的差值多半在4 cm以內(nèi)，表明Anubis是可信的。

2)利用Anubis對多系統(tǒng)GNSS觀測數(shù)據(jù)進行預處理，并對其單點定位精度、多路徑誤差、信噪比進行可視化分析。單點定位方面：jfng站GPS觀測值的單點定位精度最高，GLONASS最差。多路徑效應、信噪比：高度角較大時多路徑誤差與信噪比較小，反之較大，與高度角有很大的相關性。

3)分析了3種接收機在電磁波干擾下實測數(shù)據(jù)的多路徑誤差，結果表明南方s86-2013接收機抑制電磁波干擾的效果最好，而華測X900、南方銀河一號對電磁波干擾的抑制效果稍差。

4)Anubis具有良好的可用性，其生成的結果文件信息豐富全面，可滿足數(shù)據(jù)預處理需要。

致謝：感謝山東科技大學姜英明和軟件開發(fā)團隊成員Jan DOUSA指點迷津；感謝編輯和審稿專家為本文提出寶貴的修改意見。