基于Anubis多模多频GNSS数据质量检核性能验证与分析

2022-08-05桑文刚宁一鹏相鹏宇柴大帅

导航定位与授时 2022年4期

桑文刚，卢凯，宁一鹏，相鹏宇，柴大帅

(山东建筑大学测绘地理信息学院，济南 250101)

0 引言

随着我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Naviga-tion Satellite System，BDS)全面建成及投入使用，欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo Navigation Satellite System，Galileo)加紧建设，美国的全球定位系统(Glo-bal Positioning System，GPS)与俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GLONASS)升级换代，日本的准天顶卫星系统 (Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)、印度的区域导航卫星系统 (Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)以及空基、地基增强系统(Satellite-Based Aug-mentation System，SBAS)涌现，用户逐步从单一GPS过度到多星座、多系统、多模多频的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)“四多”时代。用户基于如此丰富的GNSS观测数据，首先需采用全面高效的预处理策略，进行数据编辑、质量检查及可视化分析，以获取高精度、高可靠性的导航、定位及时间信息。

目前主流的卫星数据处理软件有由美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体(University NAVSTAR Consortium，UVAVCO)研制的TEQC(Translation，Editing and Quality Checking)，德国波茨坦地学研究中心(German Research Centre for Geosciences，GFZ)开发的GFZRNX，德国联邦制图和大地测量局(Bundesamt für Kartographie und Geodäsie，BKG)开发的BNC(BKG Ntrip Client)，以及由捷克国家大地测量、地形与地图制图研究所开发的Anubis。TEQC作为应用最为广泛的处理软件，可以对RINEX文件进行格式转换、内容编辑和质量检查等操作，但仅支持RINEX2.11及以下版本，无法对北斗等数据进行质量检查。在可视化方面，随着近些年软件的更新与优化，TEQC生成的结果文件已由COMPACT1格式升级到COMPACT3格式，这直接导致了对结果文件进行可视化的软件QCVIEW32不能正常出图；GFZRNX具有极强的数据编辑能力，支持RINEX3.02及以下版本，但其不能对卫星数据质量指标进行具体分析，也无法进行可视化；BNC支持RINEX3.02版本，也可进行可视化，但仅支持多路径、信噪比等部分参数可视化，且可视化可靠性较差；Anubis作为新兴软件，支持几乎所有导航卫星系统卫星的观测量，支持RINEX3.04及以下版本，可对多系统数据的多路径、周跳、信噪比等进行全方位分析，数据质量检测指标丰富，同时使可视化变得更加便捷，内容也更加丰富。许多学者对以上软件进行了相关研究，文献[5]对比了Anubis与各种检核工具的差异；文献[6]利用编译后的Anubis同TEQC分析结果进行对比，肯定了Anubis对数据利用率、周跳以及信噪比的检核能力；文献[7]对Anubis的使用方法及可视化进行了介绍，并分析了恶劣环境下多路径的处理效果；文献[8]从数据完整率、信噪比、周跳和多路径误差等四个方面，对BDS观测数据质量进行评估。对此，本文设计了与TEQC软件的对比实验，以验证Anubis的可靠性，基于不同场景的多实测数据，利用Anubis进行数据处理，并对其处理性能进行验证与分析。

1 Anubis与主流GNSS数据质量检核软件比较

通过表1各软件功能的对比可以看出，Anubis可以对多系统数据进行全方位分析及可视化，所支持的RINEX版本最高，对数据的综合处理能力更强，相对其他软件更具优势。

Anubis功能及使用方法如下。

Anubis的主要功能有数据预处理，包括观测数据信息检查和星历合并等；数据质量检查，包括计算信噪比、多路径效应、周跳等的影响；多系统卫星的观测量统计，包括数据量、数据可用率、卫星数量等；多系统定位计算、卫星方位角与高度计算以及绘制卫星相关可视化图等。

类似于TEQC，该程序也在命令行窗口运行，利用命令

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

其中，config.xml是实现用户所需功能的核心配置文件，只需要提前对该文件进行配置，写入需要处理数据的时间段、星系名称、采样间隔、测站名称；输入数据配置部分写入卫星观测数据文件及星历数据文件；质量检查配置部分写入需要处理的各项指标，如周跳、多路径、信噪比等；输出数据配置部分可自定义生成报告的名称。在配置完成后，由上述命令可生成.xtr和.xqc两个结果文件，利用官网给出的基于perl语言开发的绘图脚本Anubis_plot.pl绘图。同样在命令行窗口，利用命令plot_Anubis.pl--ifile.xtr--plot=“.eps” --all --all --title =“site [year: day]”

其中，xtr为结果文件；eps为生成的图像格式，还可以设为png、jpg等常见格式；“site [year: day]”为生成图像的标题，设置为测站名和日期即可。若对其生成的图像在格式及清晰度上有更高的要求，可利用软件THE GENERIC MAPPING TOOLS(GMT6)进行进一步处理。

如需对其他数据进行处理，可根据需要改动XML文件中的部分内容，即可完成对多测站、多系统各项数据的质量检查以及可视化，相较于应用受众更为广泛的TEQC更加快速便捷，且处理数据更加多元化。

表1 各检核软件对比

2 数据质量检核指标

用户常采用理论观测值数量、实际观测值数量、数据有效率、周跳数、多路径效应、信噪比等指标,对GNSS数据质量进行检核及评估数据质量的优劣，以下对具体指标进行介绍。

2.1 数据有效率

数据有效率为可用观测值数量与理论观测值数量之比，一般用来表示，其计算公式为

=×100%

(1)

其中，理论观测值数量是根据设置的卫星截止高度角及获取的卫星星历，计算可接收的卫星观测值个数，一般用来表示；可用观测值数量是根据实际接收环境的影响，删除部分不可用历元后剩余的实际数据量，一般用来表示。

2.2 周跳

周跳是衡量观测数据质量的重要指标之一，其能够反映由于卫星信号失锁等因素导致的整周计数发生的突变。正确地探测并恢复周跳是载波相位测量中极为重要且必须解决的问题之一，其探测方法有很多，例如高次差法、多项式拟合法、电离层残差法、小波分析法等，这些方法各有优缺点。TEQC利用电离层变化率判定有无周跳的发生，超出阈值则判定为周跳；Anubis利用Geometry-Free(GF组合)、Melbourne-Wubbean(MW组合)两种组合方式进行周跳探测，通过不同历元间的差分值与阈值进行比对，超过阈值则认定为周跳。

1)GF组合法：

(2)

其中，为载波相位观测值；为对应频率的波长；为与频率无关的电离层延迟影响；为载波相位观测值的频率；为整周模糊度。

2)MW组合法：

=(-)

(3)

其中，为MW组合约为86cm波长；为伪距观测值。

相对TEQC，这种组合法可以更加深入地探测周跳。结果文件中周跳情况用o/slps值来表示，其中o为观测值数量，slps为周跳数量。

2.3 多路径效应

多路径效应是GNSS测量中干扰测量质量的主要原因之一，在多路径效应的计算中，Anubis利用载波相位观测值和伪距的线性组合，采用新的通用公式对所有GNSS的观测值进行多路径效应计算，具体公式如下

MP=--(-)=++

(4)

(5)

其中，MP是伪距多路径效应；是双频伪距观测值；是双频载波相位观测值；是频率；、和是频率索引。

当==1，=2时，有

(6)

当==2，=1时，有

(7)

当=5，=1，=2时,有

(8)

2.4 信噪比

信噪比是载波相位强度和噪声强度的比值，单位为dB·Hz，是反映载波相位观测质量的重要指标，其和接收机参数相关，数值越大代表信号越强，一般用SNR来表示。从观测文件中可以直接获取卫星每个历元所对应的信噪比值。若已知原始信号强度，可将其标准化，计算公式为

=min(max(int()，1)，9)

(9)

其中，为标准化信号强度；为原始信号强度。信噪比的数值越大代表信号越强，观测精度越高。

3 Anubis性能分析及验证

为了验证Anubis数据检核方面的性能，一方面通过相同数据下与TEQC进行比较，进而设计可靠性分析实验，全面验证其对各项数据质量指标的分析效果；另一方面，通过对不同环境接收的多系统数据进行比较，进而设计可用性分析实验，全面验证其对不同环境下多数据反应的灵敏程度。

3.1 Anubis可靠性分析

选取某海岛GNSS永久观测站2020-01-01到2020-01-31观测数据进行处理，并与TEQC进行对比。将两软件统一高度截止角设为10°，多路径阈值设为50cm，周跳探测时间阈值设为10min。由表1可知，TEQC仅支持G、R系统，故本实验只针对这两系统分别从理论观测值数量、实际观测值数量、数据有效率、周跳数、多路径效应等指标进行对比，并绘制成图，如图1所示。

由观测量统计图1(a)、(b)、(c)可知，Anubis与TEQC处理得到的理论观测量基本相当，但Anubis的统计策略更加宽松，导致Anubis对实际观测值数据量比TEQC高约5%，相对的数据有效率也较高。此外，对2020-01-16日因供电故障造成短暂数据缺失，二者均能有效探测并反映。

图1(a) 理论观测值数量对比Fig.1(a) Comparison of the numbers of theoretical observations

图1(b) 实际观测值数量对比Fig.1(b) Comparison of the numbers of actual observations

图1(c) 数据有效率对比Fig.1(c) Comparison of data efficiency

图1(d) 周跳数量对比Fig.1(d) Comparison of cycle slip

图1(e) TEQC各频点多路径对比Fig.1(e) Multipath comparison of each frequency point of TEQC

图1(f) Anubis各频点多路径对比Fig.1(f) Multipath comparison of each frequency point of Anubis

图1(g) 单点定位各方向差值对比Fig.1(g) Single point positioning difference in each direction

在周跳探测方面，如图1(d)所示，二者在周跳数量趋势变化上有一定的相关性，但在数量统计上存在差异。这种差异主要是由于TEQC采用设置阈值的电离层变化率判别，而Anubis则采用伪距与载波线性组合观测值模式进行探测，并具备对周跳类型进行分类统计的功能，包括相位周跳、卫星失锁周跳、信号扰动周跳和历元缺失周跳。在多路径效应检核方面，如图1(e)、(f)所示，在不经过数据预处理情况下，TEQC会对数据涉及的所有卫星系统进行整体分析，给出各频点多路径效应综合影响，如图1(e)中的mp1和mp2；而Anubis可将不同系统各频点分别计算，在数据分析的灵活性，尤其是多系统融合优化方面具有优势。为了进一步比较和验证Anubis分析各独立系统不同频点多路径效应影响的实际效果，利用TEQC数据编辑功能对原始观测文件进行预处理，得到单独的G、R系统数据后再进行多路径效应分析，二者相对应系统频点多路径互差在0.05m之内。在测码伪距标准单点定位方面，分别利用两软件对海岛测站1个月的数据进行单天解算，并对比解算结果与测站实际坐标各方向的差值，如图1(g)所示，Anubis精度和可靠性明显优于TEQC。

3.2 Anubis可用性分析

为了验证Anubis对多导航系统不同定位环境下所获取数据的检核效果及灵敏程度，选择我校逸夫楼楼顶开阔位置，可以接收GPS、GLONASS、Galileo、BDS以及QZSS单CORS基站，以及位于该基站附近、遮挡严重环境下1台相同型号的接收机同步采集24h数据，利用Anubis分别处理后进行对比分析，实验场景布置如图2所示。

图2 实验场地概况Fig.2 Overview of the experimental site

图3 可见卫星数量对比Fig.3 Comparison of the number of visible satellites

由于测试站位于遮挡严重的区域，相较于该区域制高点CORS站，利用Anubis进行卫星可见性及数据利用率分析可知，在可见卫星数量上，测试站BDS减少最多达13颗，GLONASS保持不变，其他系统减少1～3颗卫星，如图3所示。根据该时段天空分布图(图4)可以明显看出，BDS西侧卫星较密集，但西侧墙体较高，遮挡严重，导致BDS可见卫星数量减少较多，GLONASS虽然在数量上没有变化，但其西侧大部分卫星轨迹出现稀疏及缺失的情况。利用Anubis进一步对数据可用率进行分析，CORS站各星座数据可用率可以达到100%，没有对任何历元进行剔除；测试站部分数据被剔除，其中GPS、BDS、GLONASS和Galileo剔除较多，达20%以上，位于东侧的QZSS几乎没有剔除，如图5所示。在周跳、多路径、信噪比等质量指标分析方面，Anubis具有分系统、分类别或分频点分析的特点。如图6所示，Anubis给出不同系统的相位、卫星失锁、信号扰动、历元缺失等四种类型周跳分析。与基准站相比，测试站各系统各类型周跳都呈现了5倍以上的增长，尤其QZSS增长达15倍。如图7所示(MP1、MP2、MP5、MP7、MP8为各系统各频点多路径效应)，CORS站各系统多路径都在15cm以内，而测试站出现大约10～15cm的上涨，QZSS部分频点多路径值上涨超出18cm。在信噪比统计方面，如图8所示(S1C、S2C、S2S、S2P、S2I、S2W、S5Q、S7Q、S7I、S8Q为各系统相位观测值信噪比),CORS站各卫星系统值都在45dB·Hz以上，部分系统相位可达50dB·Hz，卫星信号较稳定，测试站各系统值出现明显下降，部分相位数值接近40dB·Hz。参考该时段各系统卫星分布图及观测量统计，以上各质量指标存在的波动主要由于测试站设置在西侧墙面较高的不利环境下，西侧卫星受遮挡严重，而东侧卫星信号尤其是QZSS会产生较强的反射造成。