G-Nut/Anubis在海洋站GNSS业务化观测数据质量检核中的应用研究

金波文，王慧，邓丽静，徐浩，吴新辉

（国家海洋信息中心，天津 300171）

为连续监测沿海海洋站验潮基准面的沉降变化情况，2009 年以来，沿海海洋站增加了全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）连续运行观测业务，可接收美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）数据。随着我国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）全面建成并投入使用[1]以及欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System，GAL）的逐步完善，2021 年以来，海洋GNSS 连续运行参考站网逐步升级后可接收GPS、 BDS、GLONASS 和GAL 的卫星数据。目前，海洋站GNSS业务化观测运行中采用的数据质量检核软件主要是美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体研制的TEQC[2]（Translation，Editing and Quality Checking），金波文等[3-4]、张龙平等[5]利用该软件对海洋站GNSS升级前的连续观测数据进行了分析，并验证了GPS 和GLONASS 数据在海洋站验潮基准面沉降监测中的可用性。但是TEQC 的各项功能仅针对GPS 和GLONASS 系统的RINEX2.x版本观测数据，无法分析BDS 及RINEX 高版本的卫星观测数据文件[6-8]。除此之外，国际上主要的GNSS 数据质量检核工具还有德国地学中心研发的gfzrnx[9-10]、德国法兰克福联邦测绘局研发的BNC[11]和捷克国家大地测量局研发的G-Nut/Anubis[12-13]等。相较于其他质检工具，G-Nut/Anubis 可同时支持RINEX2.x 和RINEX3.x 版本的GPS、GLONASS、GAL、BDS 及其他国家的区域卫星导航系统数据的质量检核，且国内已有多位学者对其检核性能进行了验证和分析[14-15]。

为促进海洋站GNSS升级后多卫星系统业务化观测数据质量检核工作，本文以北海区老虎滩、东海区朱家尖和南海区北海海洋站为例，从数据完整率、周跳比、多路径影响等方面，开展了GNut/Anubis 在海洋站GNSS 业务化观测数据检核中的应用研究，为后期高精度数据解算提供参考。同时，为满足业务化运行对数据质量检核批处理、可视化监控和信息化管理等的需求，本文基于GNut/Anubis 核心质量检核模块，利用Matlab App Designer 设计并实现了参数配置、检核批处理、结果入库和质量可视化于一体的工具箱，并基于该工具箱完成所有海洋站GNSS观测数据的质量检核，为海洋站GNSS业务化观测数据质量检核、监控管理等提供支撑。

1 数据质量检核指标

1.1 数据完整率

数据完整率是衡量观测数据质量的重要指标，反映测量时段中观测数据的可用性和完好性，既能体现观测环境的影响程度，又能体现接收机性能的优劣。数据完整率定义为一个时段内有效数据历元个数与总历元个数的比值[16]，一般用Rt来表示，其计算公式为：

式中：Exp是根据设置的卫星截止高度角及获取的卫星星历计算出的可接受的卫星观测历元总个数；Hav是根据接受环境影响，实际接收的有效历元个数。《全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范》（GB/T 28588-2012）[17]规定，对于国家基准站和区域基准站，数据完整率应大于85%，对于专业应用站网基准站，可按实际情况执行。本文GNSS的质量检核以上述指标作为参考值，但总体而言，数据完整率越大代表数据可用性和完好性越好。

1.2 多路径影响

多路径影响是GNSS测量中干扰测量质量的主要原因之一。在GNSS观测中，由于接收机可以接收到周围环境反射的卫星信号，对直接接收的卫星信号产生干扰，导致观测结果与真值产生偏差，即多路径影响[18]。多路径影响通常反映了周围环境和其他因素对信号传播的影响，数值越小，说明抗多路径能力越强。在多路径影响的计算中，G-Nut/Anubis 利用载波相位观测值和伪距的线性组合，对所有GNSS 的观测值进行多路径影响计算，具体公式如下[19]：

式中：MP为多路径影响；P为双频伪距观测值；L为双频载波相位观测值；f为频率；k、i和j为频率索引。

根据国际GNSS服务组织对观测站数据的质量分析，GPS 卫星2/3 的测站MP1平均值小于50 cm，而2/3的测站MP2平均值小于75 cm。《北斗地基增强系统基准站建设和验收技术规范》（GB/T 39772.1-2021） 中 规 定 BDS B1、 GPS L1、GLONASS L1的平均多路径影响需小于等于50 cm，BDS B2、GPS L2、GLONASS L2 的平均多路径影响需小于等于65 cm，BDS B3、GPS L5 的平均多路径影响需小于等于65 cm[20]。由于其他系统频率的MP 值暂未有参考依据，本文GNSS 的质量检查以上述指标作为参考，但总体而言，MP值越小代表抗多路径影响能力越强[21]。

1.3 周跳比

周跳指GNSS接收机在跟踪载波信号时发生的暂时失锁现象，会导致整周计数发生跳变或者中断。周跳是影响测量精度的一个重要指标，通常利用载波观测值和伪距进行无几何（Geometry-Free，GF）组合、墨尔本-维贝纳（Melbourne-Wübbena）组合以探测周跳，将不同历元间差分结果与阈值进行对比，超出阈值则认为发生了周跳。有学者以周跳比（Cycle Slip Ratio，CSR）来表示观测值的周跳状况[19,22]，其值越小表明数据质量越好。G-Nut/Anubis 质检统计结果中周跳/中断总数包括历元缺失造成的中断、卫星在特定时间失锁造成的中断、信号扰动和连续跟踪过程中识别的相位周跳，以及其他造成不连续的跳变数等[12]。周跳比计算公式为：

式中：O为观测值数；Slps为周跳/中断数。根据国际GNSS 服务(International GNSS Service，IGS）观测数据质量分析结果，超过2/3的测站CSR平均值小于10[19]，本文GNSS的质量分析以此作为指标参考值。

2 海洋站GNSS实例分析

2.1 数据质量检核

本文选用的海洋GNSS连续运行参考站分别位于辽宁省大连市（老虎滩站）、浙江省舟山市（朱家尖站）和广西壮族自治区北海市（北海站），采用华测导航的P5 测地型接收机，天线为拓普康的CR-G3（图1）。以2022 年每季度最后一天（3 月31 日、6 月30 日、9 月30 日、12 月31 日）观测数据为例，利用最新版G-Nut/Anubis（Linux 版本v3.5）软件对所选站点进行质量检核，卫星截止高度角设为10°，广播星历采用brdm 混合广播星历，从数据完整率、多路径平均值（各卫星系统多路径影响MP值的平均值）、周跳比和伪距单点定位精度等方面进行数据质量评估，质检统计结果如表1所示。

图1 朱家尖海洋站GNSS观测设备

表1 各站GNSS质量检核统计

由表1 可知，2022 年各季度最后一天老虎滩、朱家尖和北海站的数据完整率最小值为93.8%，均满足大于85%的要求；各站GPS、BDS、GAL、GLONASS 卫星系统的多路径平均值均满足小于50 cm的要求；周跳比方面，老虎滩站总体略大于其他两站，但均小于10。

2.2 质量可视化分析

海洋站GNSS 升级后可接收四系统12 个频点的伪距和载波相位观测值，其中BDS 观测值类型最多，包括4 个伪距观测值（C2I、C5X、C6I、C7I）和4 个载波相位观测值（L2I、L5X、L6I、L7I），GPS 观测值包括3 个伪距观测值（C1C、C2W、C5W） 和3 个载波相位观测值（L1C、L2W、L5W），GAL 观测值包括3 个伪距观测值（C1X、C5X、C7X） 和3 个载波相位观测值（L1X、L5X、L7X），GLONASS 观测值包括2 个伪距观测值（C1C、C2C）和2 个载波相位观测值（L1C、L2C）。为了更好地反映各系统各频段观测数据的质量情况，以朱家尖GNSS站为例，对数据质量进行可视化，分别绘制卫星天空轨迹和卫星统计图（图2）、各系统观测数据使用及不同频段完整率统计图（图3）、周跳探测及多路径统计图（图4）和单点定位误差统计图（图5）。

图2 卫星天空轨迹和各频段卫星数量统计图

图3 各系统历元使用情况和各频段观测值完整率统计图

图4 周跳探测和多路径统计图

图5 伪距单点定位误差图

从图2 可以看出，BDS 卫星天空轨迹最密集，其次是GPS，轨迹相对较少的是GLONASS 和GAL。BDS 的C2I、L2I（B1I 频段）观测值和C6I、L6I （B3I 频段） 观测值卫星数为46 颗，C5X、L5X（B2a频段）观测值卫星数为26颗，C7I、L7I（B2b 频段）观测值卫星数为15 颗，这是因为B1I和B3I 为北斗二号和三号共用信号，卫星较多，B2a和B2b为北斗三号信号，因卫星发射较晚，所以卫星数量相对较少；GPS的L1和L2频段卫星数均为31 颗，L5 频段卫星数为17 颗，这是因为L5频段是2009 年以后GPS 现代化建设增加的信号，卫星数相对较少；GAL 所有频段和GLONASS 的L1 频段卫星数均为24 颗，GLONASS 的L2 频段卫星数为21 颗。这表明BDS 和GPS 星座已较为完善，轨道运行卫星数量较为齐全。

从图3 可以看出，本次质检时四个卫星系统的历元利用率均为100%，没有无效历元数据。从数据完整情况看，四个卫星系统所有频段的数据完整率均大于94%。其中，GLONASS的L1频段数据完整率和GPS 的L2 频段数据完整率相对较低，低于95%。由图3（b）也可以看出GLONASS卫星数据的剔除量最多，GPS 次之。其余卫星系统所有频段数据完整率均大于95%，完整性较好。

从图4相位周跳/中断数可以看出，载波相位跟踪不连续产生的周跳数最多，卫星失锁和信号扰动产生的跳变数相对较少。GPS的L2W观测值发生的周跳/中断数最多，BDS 和GAL 各频点观测值发生的周跳/中断数相对较少。多路径影响和噪声方面，各卫星系统多路径影响值均小于50 cm，BDS的多路径影响值最小，具有较强的抗多路径影响能力。GPS 的MP1大于MP2，除GPS 的MP1大于5 cm外，其余卫星系统的所有MP值均小于5 cm。

图5为各系统伪距单点定位误差统计结果（本文使用混合广播星历，未使用精密星历），可以看出N 方向和E 方向坐标误差要小于U 方向。GAL 定位精度最高，NEU 方向坐标精度均小于等于0.5 m；GPS 坐标精度次之，N 方向和E 方向坐标精度在1 m 左右，U 方向坐标精度在2 m 左右；GLONASS 和BDS 的坐标精度较GPS 和GAL 要低。从伪距单点定位精度来看，GPS 和GAL 的精度相对更高。图6 为间隔15 min 的伪距定位结果分布，各分量坐标分别减去了其平均值，可以看出BDS和GLONASS 的坐标离散度较大，GPS和GAL 坐标分布较为集中，表明GPS 和GAL 伪距单点定位坐标稳定性要高于BDS和GLONASS。

图6 伪距单点定位坐标分布

3 质检软件开发与应用

G-Nut 是基于C++语言开发的用于GNSS 数据分析和产品监测的软件核心库，Anubis 是利用GNut 核心库实现的，兼容Linux、Windows、Mac 系统。Anubis 软件采用参数配置形式通过用户自定义检核参数进行数据质量检核，然后生成包括GNSS全星座数据统计、定位精度、多路径、信噪比和周跳探测等在内的不同详细程度的质量检核结果文件。Anubis 软件本身不具备可视化功能，其官网提供了对应的plot_Anubis 模块通过命令行形式对部分结果进行可视化[15,23]。虽然其命令行形式运行简单高效，但可视化模块功能固定、形式单一，难以满足海洋GNSS连续运行参考站的海量数据批量处理和管理需要，因此需要开发相关软件工具用于海洋站GNSS数据质量检核及管理。

3.1 Matlab App Designer

Matlab App Designer 是Matlab 的一个交互式应用程序设计工具，它具有简单易用的界面设计工具和丰富的组件，通过拖放可视化组件即可实现图形界面的设计布局，让用户轻松地创建各类应用程序，并通过点对点交互的方式为组件添加回调函数以实现各种功能，包括数据可视化、数据分析等[24]。此外，Matlab App Designer 还支持自定义函数，可以让用户根据需求进行灵活编程，同时可编译成独立的桌面或Web端App。

3.2 质检软件设计与实现

基于G-Nut/Anubis 核心质量检核模块，结合海洋站GNSS业务化运行对数据质量检核统计及可视化监控的需求，采用Matlab App Designer 设计实现了集参数配置、质量检核批处理、结果入库及可视化于一体的海洋站GNSS数据质量检核工具箱OGQC（Ocean station GNSS data Quality Checking）。软件工具箱设计功能如图7 所示，主要包含参数配置、质检批处理、质量指标提取、信息入库和可视化等功能模块。

图7 OGQC工具箱功能架构图

工具箱前端主要通过质检模块进行参数配置，然后生成Anubis 执行配置文件，再根据用户设定的站点和时段调用Anubis 核心模块进行数据质量检核批处理（Windows 平台下直接调用Anubis 执行文件进行质检，Linux 平台下通过生成批处理脚本文件进行质检），生成质量检核结果文件。完成后，通过质量指标提取模块将关键指标值提取出来并存入数据库，进行信息化管理。在可视化模块，根据用户选择的站点和时段，读取数据库中对应的质量指标，然后调用Matlab 中的绘图函数进行绘图，并在主界面进行质量指标时间序列可视化展示（图8），可视化指标包括观测时长、周跳比、数据完整率、多路径影响等，其中GPS、BDS、GAL、GLONASS 各频段的多路径MP值分别绘制，并通过切换面板显示其变化情况。

图8 海洋站GNSS数据质量检核工具箱界面图

3.3 功能测试与分析

为了验证OGQC 工具箱的质检功能和可视化效果，利用工具箱对海洋GNSS连续运行参考站数据进行测试，选取朱家尖站2022 年全年观测数据，利用质量检核模型进行质检，并通过可视化模块绘制其完整率和周跳比（图9），各卫星系统多路径变化如图10 所示。由图9 可知，朱家尖站2022 年全年数据完整率均在85%以上，平均值为94.8%，无明显跳变情况发生，2022 年完整率最小值出现在第238 天，为88.6%；周跳比除第351天和第352 天大于10 外，其余都小于10，全年平均值为4.6。由图10 可知，朱家尖站2022 年各卫星系统多路径影响总体变化比较平稳，这表明测站周围环境无明显变化；GPS 的L1、L2、L5 频段多路径影响平均值分别为9.4 cm、2.5 cm和2.5 cm；BDS 的B1I、B2a、B2b和B3I频段多路径影响平均值分别为1.7 cm、2.1 cm、1.7 cm和1.3 cm；GAL的L1、L5、L7 频段的多路径平均值分别为1.9 cm、1.8 cm和1.9 cm；GLONASS的L1和L2频段多路径平均值分别为2.8 cm 和3.2 cm。总体而言，各系统多路径影响值均满足相关要求。利用OGQC 工具箱的批处理检核功能可以省去重复的参数配置和数据分析过程，同时通过丰富的可视化模块可以反映海洋站GNSS连续运行观测数据的关键质量指标，帮助数据处理人员更好地掌握各站各时段的数据质量状况，为后期高精度数据处理提供处理策略配置参考。

图9 朱家尖站2022年GNSS数据完整率和周跳比变化图

图10 朱家尖站2022年GNSS数据多路径变化图

4 结语

本文针对海洋站升级后的四种系统，选取了老虎滩、朱家尖和北海海洋站GNSS连续运行参考站2022 年各季度最后一天的数据，利用G-Nut/Anubis 软件从观测卫星数、数据完整率、周跳和多路径影响等方面对GPS、 BDS、 GAL 和GLONASS 四系统的数据质量进行了检核，并以朱家尖站为例详细分析了各频段数据质量情况。同时，基于Matlab App Desinger 开发了海洋站GNSS数据质量检核工具箱OGQC，并依据该工具箱对海洋站GNSS 数据进行了质量检核，以朱家尖站2022 年全年数据为例分析了其数据质量变化情况，得出以下结论。

（1）所选测站中数据完整率均大于95%，各站GPS、BDS、GAL、GLONASS 卫星系统的多路径平均值均小于50 cm；各站周跳比均小于10，各项指标均满足相关规范要求。

（2）从朱家尖站各系统各频段数据质检结果可以看出，四个卫星系统所有频段的数据中，除GLONASS 的L1 频段和GPS 的L2 频段数据完整率相对较小（小于95%）外，其余卫星系统所有频段数据完整率均大于95%，完整性较好；从探测出的周跳类型发现载波相位产生的周跳数最多，卫星失锁和信号扰动产生的周跳相对较少，GPS的L2W 观测值发生的周跳最多，BDS 和GAL 各频点观测值发生的周跳相对较少；多路径影响和噪声方面，各卫星系统各频段的多路径影响MP值均小于50 cm；从伪距单点定位精度来看，N 方向和E 方向坐标误差要小于U 方向，GPS 和GAL 的精度相对BDS和GLONASS更高。

（3） 本文基于Matlab App Designer 开发的OGQC 工具箱具有很好的批处理和可视化功能，通过朱家尖站2022 年全年的数据检核结果的平稳性和可靠性得出，OGQC 工具箱可以满足业务化运行对数据质量检核指标批处理、可视化监控和信息化管理的需要。在数据使用前，用户可根据OGQC 软件数据质量检核结果，对相应星座、频段、卫星进行相关编辑、剔除等预处理操作，以提供高数据质量用于后续高精度数据处理工作。

致谢：捷克国家大地测量局为本文提供了GNut/Anubis软件，特此致谢。