Anubis在GNSS数据质量可视化分析中的应用

康朝虎，刘 宁，2，田永瑞，蔡晓军，李宇磊

(1.长安大学 地质工程与测绘学院，西安 710054；2.地理信息工程国家重点实验室，西安 710054)

0 引言

全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)发展迅猛，继美国的全球定位系统(global positioning system，GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，GLONASS)和欧洲的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)之后，中国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)也日益表现出卓越的导航、定位能力[1]。高精度位置信息的获取必然依赖GNSS数据预处理，数据质量检查提供的信息不仅有利于数据后处理，还有益于高质量观测数据的收集、存储[2]。上述多种系统、信号、频率的出现给GNSS数据预处理带来了新的挑战。RINEX3.0x格式已经包容了上述提到的所有系统、所有频段的数据[3]。此外，由国际GNSS服务组织(The International GNSS Service，IGS)发起的多模GNSS实验跟踪网(multi-GNSS experiment，MGEX)运动提供的实验数据最为丰富，且这些数据在实验分析之前需要合理的检查[4]。面对如此丰富的GNSS观测值，对其进行全面高效的检查分析就显得格外重要。

目前常用的GNSS数据预处理软件有BNC(BKG ntrip client)及TEQC(translation，editing and quality checking)，但只有BNC是开源的，且支持RINEX3.0x格式，但其操作相对复杂[5]。国内学者对上述预处理软件进行了相关研究。文献[5]利用改进的BNC对BDS观测数据进行检查分析；文献[6]利用TEQC对不同环境下的实测GPS数据进行了质量分析；文献[7]对TEQC在GPS数据质量检核中的应用进行了分析，然后利用TEQC进行了单点定位计算并分析；文献[8]对TEQC处理结果文件的可视化方法进行对比，提出利用RTKLIB对观测文件进行质量检查和绘图。上述研究都是对单一系统数据进行预处理，且所用软件TEQC不支持RINEX3.0x格式、BNC操作相对复杂。基于此，本文引入一种新兴GNSS数据预处理软件Anubis，并用其处理MGEX多系统观测数据与实测数据，通过分析，得出一些有益结论。

1 Anubis简介

Anubis 是一个GNSS 数据预处理新兴软件，由捷克国家大地测量、地形与地图制图研究所开发。Anubis可以对GPS、GLONASS、Galileo、BDS、星基增强系统(satellite-based augmentation system，SBAS)、日本的准天顶卫星系统(quasi-zenith satellite system，QZSS)和印度区域导航卫星系统(indian regional navigation satellite system，IRNSS)的观测量进行质量检核与分析，且支持RINEX2.xx和RINEX3.0x格式。此软件功能全面，具体包括数据缺失和小数据块检测、观测值可用频带统计、周跳和钟跳检测、多路径效应影响估计、计算信噪比等，若同时提供导航数据还可以进行标准单点定位、方位角和高度角计算。Anubis 软件免费开源，支持 Windows、Linux 和 macOS 等常见操作系统[3]。类似于 TEQC，该软件也在命令行窗口运行。通过预设好的配置文件，Anubis一次可对多个RINEX文件进行并行预处理操作，此举可简化处理流程，提高效率。Anubis的第一版于2013年发布，目前最新版本是Anubis2.1.2。下载网址为http：//www.pecny.cz[3]。

1.1 使用方法

下载与计算机操作系统匹配的软件(以Windows操作系统为例)并将其重命名为anubis，后缀改为exe，在dos窗口进入软件所在目录。Anubis可接收的命令行参数有-h、-V、-v、-x、-l、-X，各参数示意如下：-h：显示帮助信息；-V：显示软件版本信息；-v：日志文件的详细程度，v的取值为0～9；-x：输入配置文件；-l：输出日志文件；-X：输出默认的配置文件。在命令行输入：anubis-X 2>default_config.xml即可得到一个缺省的配置文件，根据处理需要对配置文件进行修改。然后使用xml格式的配置文件来启动Anubis，在命令行输入：anubis-x config.xml或anubis

表1 配置文件的组成及功能

1.2 可视化操作

Anubis目前仅具有数据质量检查功能，处理结果文件的可视化还得借助绘图脚本。具体步骤为：

1)从http：//www.pecny.cz网站下载perl绘图脚本；

2)检查计算机是否安装了perl编译工具，若没有则进行安装；

3)下载并安装Chart-Gnuplot源码包；

4)利用脚本进行绘图。

以linux系统下的操作为例，简要说明绘图命令。显示绘图帮助信息的命令是：

perl plot_Anubis.pl --help

若想一次画出所有的图形，则可运行命令：

perl plot_Anubis.pl--ifile ANUBIS.xtr-plot=”anubis.png”--all--all--title=”SITE[YEAR：DOY]”(其中ANUBIS.xtr表示Anubis的处理结果文件，SITE、YEAR和DOY分别表示站点名称、年、年积日。)

也可以根据绘图命令提示仅画某一类图或绘图时选择性禁用某些系统的处理数据。此外，绘图脚本是开源的，可以根据自己的需要适当修改脚本，以得到所需的绘图结果。

2 多系统数据预处理

2.1 Anubis可靠性验证

分别用Anubis和TEQC对2015年年积日第36天IGS长春站的GPS观测数据和武汉站的GLONASS数据进行处理。然后将2种软件计算的每颗卫星多路径误差均值的均方根值(root mean square，RMS)作差(Anubis结果减去TEQC结果)，由图1、图2(dMP1为L1频率的多路径之差，dMP2为L2频率的多路径之差)可以看出，2种软件的处理结果有差异，这是由于Anubis调整了周跳探测、观测时间窗口等的相关程序[3]，但差值多半小于4 cm。上述结果表明Anubis是可信的。

2.2 Anubis实例应用

基于以上分析，利用Anubis处理MGEX多系统观测数据。多系统数据为从ftp：//cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/campaign/mgex/daily/rinex3/[9]下载的2015年年积日第365天的brdm3650.15p与jfng站24 h观测数据，数据采样间隔为30 s，接收机为TRIMBLE NETR9，天线为TRM59800.00。经处理得到2个结果文JFNG.xtr、JFNG.xml，然后对JFNG.xtr文件进行可视化操作并加以分析。其中xml文件中的总结信息见表2。

表2 JFNG.xtr文件中的总结信息

2.2.1 基于Anubis的单点定位精度分析

由于同时提供了导航文件，Anubis可以进行单点定位计算。图3中点的位置表示平面定位结果，点状大小根据几何精度因子(geometric dilution precision，GDOP)值大小而画。由图3、图4(GLO为GLONASS的简写)可知，对于该测站GPS的标准单点定位效果最好，BDS次之，GLONASS精度较差，且3个系统定位结果中东(E)方向精度最高，天顶(U)方向精度最差。其次，BDS的GDOP值较另2个系统稍大。

2.2.2 多路径效应

由多个路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称为多路径效应[10-11]。多路径效应具有时空环境效应，其大小与测站周边环境的好坏有很大的相关性。多路径误差的分析结果，有助于接收机性能评估及测站周边环境的判断[8]。多路径效应对伪距观测值和载波相位观测值都有影响，但对前者的影响更大，最大可达码元宽度的1/2，因此，伪距多路径误差为主要考虑对象[12]。

在对多路径效应进行计算时，Anubis采用了新的通用公式，通过伪距和载波相位观测值的线性组合可以对所有GNSS系统的双频观测值进行多路径估计。计算公式[3]为

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLj

(1)

(2)

式中：MP是伪距多路径效应；P是双频伪距观测值；L是双频载波相位观测值；f是频率；k、i和j是频率索引。

当k=i=1，j=2时有

(3)

当k=i=2，j=1时有

(4)

当k=5，i=1，j=2时有

(5)

图5(SBS为SBAS的简写，QZS为QZSS的简写，GAL为Galileo的简写；M1C、M2C、M1I、M5I、M6I、M7I、M1P、M2P、M2W、M1X、M2X、M5X、M7X、M8X分别代表相应伪距观测值的多路径误差)展示了jfng站接收的各种数据的多路径情况，从图5中可以看出SBAS M1C对应观测值的多路径效应最严重，而Galileo M8X的值最小。从图6(C1C、C2W、C2X、C5X为GPS的伪距观测值)可以明显看出卫星的多路径误差随时间的变化情况，卫星的多路径误差图基本呈现两头大中间小的趋势，与卫星升起降落过程中高度角变化情况相对应[7，13]。图7为GPS C5X观测值对应卫星的高度角随时间的变化情况。

2.2.3 信噪比

信噪比(signal-noise ratio，SNR)是载波信号强度与噪声强度的比值，其主要受天线增益参数、接收机中相关器的状态和多路径效应的影响，是反映载波相位观测质量的指标之一[14]。信噪比的值越大，表明信号越强。从图8(S1C、S2C、S1I、S5I、S6I、S7I、S1P、S2P、S2W、S1X、S2X、S5X、S7X、S8X为相应相位观测值的信噪比)可看出jfng站各系统观测数据的信噪比均值相差无几，基本在45 dB·Hz左右，表明数据质量较好。卫星在升起和降落时，高度角较小，从图9可以看出各个卫星的信噪比图基本呈现两头小中间大的梭形，这表明当卫星高度角越大时，接收机接收的数据信噪比越高，其质量越好。

3 恶劣环境下Anubis多路径效应分析

此外，利用Anubis对3种类型接收机在高压线下2个时段的观测数据进行处理，重点分析在电磁波干扰下的多路径误差，以比较不同类型接收机抑制电磁波干扰的能力。其中5号测站与6号测站均位于高压线正下方且距铁塔很近，观测环境较差。较差观测环境更能反映接收机性能，所以本文选取5号测站与6号测站的数据进行分析。数据采集现场及测站的位置分布见图10、图11。

图12～图15(MP1代表L1频率下的多路径误差、MP2代表L2频率下的多路径误差)为1时段3种接收机观测的GPS数据L1、L2频率下多路径的RMS，图16～图19为2时段3种接收机观测的GPS数据L1、L2频率下多路径的RMS。其中3种接收机分别为：华测X900接收机(hc)、南方S86-2013接收机(s86)、南方银河一号接收机(yh)。综合图12～图15可以看出：南方S86-2013接收机在5、6号测站观测值的多路径误差均值比另2种接收机至少小2 cm；由图16～图19可看出：南方S86-2013接收机在5号测站观测值的多路径误差均值比另2种接收机至少小2 cm，在6号测站至少小4 cm。而由图12～图19可知南方银河一号接收机观测值的多路径误差比华测X900稍大，但二者差别不明显。综上可得南方S86-2013接收机抑制电磁波干扰的效果比另2种机型略好。

4 结束语

1)分别利用TEQC与Anubis处理IGS参考站单天观测数据，多路径误差结果的差值多半在4 cm以内，表明Anubis是可信的。

2)利用Anubis对多系统GNSS观测数据进行预处理，并对其单点定位精度、多路径误差、信噪比进行可视化分析。单点定位方面：jfng站GPS观测值的单点定位精度最高，GLONASS最差。多路径效应、信噪比：高度角较大时多路径误差与信噪比较小，反之较大，与高度角有很大的相关性。

3)分析了3种接收机在电磁波干扰下实测数据的多路径误差，结果表明南方s86-2013接收机抑制电磁波干扰的效果最好，而华测X900、南方银河一号对电磁波干扰的抑制效果稍差。

4)Anubis具有良好的可用性，其生成的结果文件信息丰富全面，可满足数据预处理需要。

致谢：感谢山东科技大学姜英明和软件开发团队成员Jan DOUSA指点迷津；感谢编辑和审稿专家为本文提出宝贵的修改意见。