Anubis與TEQC軟件在多模GNSS數據質量檢查中的應用與對比分析

肖 燕,周 飛,唐詩華,劉海鋒,蒲 倫

(1.桂林理工大學 a.測繪地理信息學院;b.廣西空間信息與測繪重點實驗室,廣西 桂林 541006;2.廣西壯族自治區基礎地理信息中心,南寧 530023;3.武漢大學 測繪學院,武漢 430079)

隨著導航衛星系統的發展,用戶已可獲得GPS、GLONASS、BDS和Galileo等多模GNSS觀測數據, 測量精度要求也不斷提高。 目前常用的GNSS數據質量檢查軟件有TEQC、 BNC(BKG Ntrip Client)及gfzrnx等。 其中, TEQC軟件可以對RINEX2格式的數據進行格式轉換、 數據編輯和質量檢核等操作, 但隨著軟件的維護更新, 可視化文件由COMPACT1升級為COMPACT3格式, 從而導致傳統的TEQC可視化的工具可能不再適用; 與TEQC相比, BNC支持RINEX3格式, 是基于Qt開發框架的開源軟件, 但是目前主要對傳統信號、 頻點的數據質量進行分析, 尚不支持對BDS的數據質量分析[1]; gfzrnx軟件可以同時支持RINEX2和RINEX3格式, 但軟件不開源,且無法進行可視化分析[2]。

由于各衛星系統的不斷發展和完善, 以及用戶對精度的需求不斷提高, 解決多模數據質量檢查及可視化分析的問題逐漸成為當今研究的熱點。 Anubis是由捷克共和國的Geodetic Observatory Pecny (GOP)研究機構基于 G-Nut核心庫開發的一款開源的命令行工具, 可對所有可用GNSS星座的觀測數據進行質量檢查和可視化分析[3-4]。 陳秀德等[5]利用Anubis對MGEX站數據進行檢測, 介紹并驗證了Anubis的數據檢查和可視化的主要功能。 陳佳清等[6]利用G-Nut/Anubis軟件對某市CORS觀測數據質量進行檢核,實現了GNSS數據質量檢核可視化一鍵命令式解決, 提供了豐富的數據質量檢核指標。 劉智強等[7]利用Anubis對JFNG站和HUEG站的實測GNSS數據進行質量分析, 證實了Anubis用于GNSS數據質量分析具有操作簡單、評價內容豐富、圖形化好、代碼開源等優點。 康朝虎等[8]利用Anubis對多系統GNSS觀測數據進行預處理, 并對其單點定位精度、 多路徑誤差、 信噪比進行了可視化分析。 鑒于此, 本文首先介紹了質量檢查的關鍵指標, 在此基礎上利用Anubis對CORS基準站GNSS觀測數據進行質量檢查,將結果與TEQC軟件對比分析,研究了兩款軟件的差異。此外,對Anubis的可視化分析研究表明，Anubis可實現對多模GNSS數據的質量檢查,并且可提供豐富的可視化分析手段,對于CORS站等多模數據質量檢查和控制具有一定的參考價值。

1 質量檢查指標

觀測數據質量是確保GNSS定位精度的前提,而GNSS觀測數據的質量可從數據有效率、周跳、多路徑效應、電離層延遲變化率以及信噪比等指標反映出來。

數據有效率是表征基準站有效觀測值和評估數據完整性的指標,根據觀測時設置的衛星截止高度角及相應時段的衛星星歷,可計算理論上能接收的衛星觀測值個數N0,然而實際上由于觀測環境和接收設備的影響,在該時段接收到的觀測個數N1與理論值不相等[9],該差異可通過數據有效率R衡量

R=N1/N0。

(1)

多路徑效應是在發射導航信號的衛星、接收機天線及天線附近物體之間構成的某種相對空間關系的環境下產生的合成信號相對于直達接收機天線信號的一種延遲現象[10]。這種延遲信號由于其對波長的依賴性而導致每種類型的GNSS信號具有不同的測量誤差,且直接反映了基準站周圍的環境質量,因此是衡量GNSS觀測數據質量的重要指標之一。計算L1、L2載波多路徑效應[11]:

(2)

(3)

其中：MP1、MP2分別表示L1和L2載波上的多路徑效應對偽距和相位影響的綜合指標；P1、P2分別表示L1、L2兩波段上的偽距觀測值；φ1、φ2分別表示L1、L2載波相位觀測值；λ1、λ2分別代表L1、L2載波的波長；α表示L1、L2兩波段頻率f1和f2之比的平方,即α=(f1/f2)2。

周跳是指接收機在跟蹤衛星過程中,由于某種原因發生信號失鎖,導致載波相位觀測中整周計數不連續,進而使相關觀測值較正常值出現一個整數周的跳躍,可用o/slps值或CSR來表示周跳情況[14]

周跳=o/slps,

(4)

(5)

式中：o為觀測值個數;slps為周跳次數。

本文對CORS站數據質量的評價主要選取了數據有效率、多路徑效應、周跳等3項指標。數據有效率應保持在90%以上[12],如果低于一定比例,則說明數據的完整性不足,有必要系統地分析外部環境因素。國際GNSS服務組織(IGS)的數據質量檢測分析顯示,對于多路徑效應而言,2/3的IGS站的MP1和MP2平均值分別小于0.5和0.75 m[13-14]。此外,超過半數的IGS站的每千歷元的周跳CSR平均值小于5,觀測值與周跳o/slps的值大于200, 2/3以上的CSR平均值是在10以下。根據IGS的經驗標準以及具體的工程要求,若某一指標超限或者多個指標均接近限值,則可認為該數據的質量不佳,可根據實際需要對其進行剔除或降權。

2 算例分析

2.1 TEQC與Anubis質量檢查

為了進行兩款軟件的質量檢查對比分析,一致采用廣西桂林市GLLG CORS基準站的2019年1月1—7日共7 d的全天觀測數據進行質量檢查對比,數據采樣間隔為15 s(采樣間隔可根據實際要求進行設置),根據高度角設置原則[15],本次將衛星截止高度角設為10°,接收機型號為TRIMBLE NETR9,天線類型為扼流圈天線。

TEQC質量檢查命令為: teqc+qc+plot -nav GLLG****.19nGLLG****.19o。

Anubis質量檢查命令為:Anubis-x anub-2.1.2.cfg-lprocess.log。

其中, anub-2.1.2.cfg為配置文件, 與TEQC的默認配置不同, Anubis提供了可文本編輯的配置文件, 且在使用前需要對其設置質量檢查的數據文件名和生成的質量檢查報告名。

表1列出了2019.2.25版本的TEQC以及2.2.4版本的Anubis質量檢查生成的文件。在質量檢查時,TEQC步驟簡單,可以直接輸入命令進行質量檢查,TEQC分別從衛星仰角、方位角、多徑效應、 電離層延遲誤差、 電離層延遲率和信噪比等因素全方位分析GNSS觀測數據的質量。 與TEQC相比, Anubis在進行質量檢查時, 需要配置默認文件, 但同樣可以進行多方面的數據質量分析, 其質量檢查報告的所有指標包含在.xtr和.xqc兩個文件中。

表1 TEQC和Anubis質量檢查生成的文件

以2019年第1天為例,圖1展示了兩款軟件的質量檢查報告文件的部分摘要內容。兩款軟件一致列出了觀測數據各項質量指標:數據觀測的開始時間為00:00:00, 結束時間為23:59:45, 采樣間隔為15 s, 采樣時長為24 h。 對于實際采樣數, TEQC和Anubis計算的實際觀測數據相差較小,分別為85 504和88 214, 然而由于兩款軟件的期望采樣數不一樣(分別是88 429和111 442), 因此其報告的數據有效率相差較大, 分別為97%和74%。 兩款軟件報告的周跳o/slps也相差較大, 分別為42 752和1 116。 Vaclavovic等[4]研究表明, 導致這些結果的原因是軟件設置的期望值和計算方法不一樣。 此外, 從多路徑來看, 由于在本次實驗中, TEQC沒有分開計算GPS和GLONASS等不同星座的多路徑值,MP1、MP2分別為0.39、 0.40 m; 而Anubis則默認對不同星座進行了分別計算, GPS的MP1、MP2分別為28.9、 29.4 cm, GLONASS的為46.2和39.3 cm。

圖1 質量檢查報告文件摘要內容對比

為了進一步對比研究Anubis與TEQC的質量檢查精度,本文以TEQC的采樣期望值為標準,采用式(1)和式(4),在Anubis報告文件的基礎上,分別重新計算了數據有效率Ratio和周跳o/slps。此外,將Anubis軟件計算的不同星座的多路徑值取平均值代表這次觀測的多路徑值,結果見表2。

可以看出,TEQC和Anubis兩款軟件計算的質量檢查指標幾乎一致,但是,對于數據有效率和周跳兩個指標,Anubis的計算值均比TEQC的大,而對于剩下的其他指標(CSR和多路徑指標),Anubis的計算值均比TEQC的小,說明在質量檢查方面,如果按TEQC的期望采樣率計算,Anubis質量檢查指標相比TEQC“寬松”,且兩者的檢查仍相差不大。

2.2 Anubis可視化分析

TEQC和Anubis都可對質量檢查結果進行可視化分析,其中TEQC需借助第三方軟件(如QCVIEW等)對質量檢查文件進行可視化。Anubis相比TQEC更為便捷,且可從更多角度對質量檢查結果進行可視化,可視化命令為:plot_Anubis.pl -ifile ANUBIS.xtr -plot=“anubis.png” -all -all -title=“SITE [YEAR: DOY]”。 其中,plot_Anubis.pl為Anubis開發的可視化工具,ANUBIS.xtr為Anubis生成的質量檢查報告,命令后半部分為一系列可設置的繪圖參數。本文選取2019年第27天GLLG站24 h的數據對Anubis可視化進行研究。

表2 TEQC與重新計算的Anubis質量檢查結果統計對比

圖2統計了各星座對應時刻的可見衛星數,BDS和GPS的全天時刻可見衛星數均相比GLONASS和Galileo多。結合圖3可看出,該接收機對北斗系統僅接收到BDS-2的衛星,未接收到BDS-3的衛星,其中橫軸為衛星編號，豎軸為衛星可用的碼或相位頻段數。圖4為各星座的天球軌跡圖,橫軸為衛星方位角,豎軸為高度角。BDS、Galileo、GLONASS、GPS四大星座的高度截止角均為10°。由于GPS和GLONASS發展較早,建設已完善,天球軌跡全球分布較為均勻,而BDS首先面向亞太地區提供服務,逐漸擴展到全球,在2019年系統還未完全建成,因此BDS和衛星數較少的Galileo星座的天球軌跡示意圖分布較稀疏和不均勻,但因CORS位于國內,屬于目前BDS的主要服務區,因此圖2中BDS對應時刻的可見衛星數仍比GPS略多。

由圖3可知, 本次觀測到的BDS星座的衛星總數為15顆, 結合圖2分析, CORS站每小時平均能觀測到BDS衛星數為11～12顆；而觀測到GPS星座的衛星總數為31顆,CORS站每小時平均觀測到的GPS衛星數為8～9顆。由此可見,在國內BDS同一顆衛星的利用率相比其他星座更高。圖5a展示了各星座對應波段觀測到的衛星數,圖5b為用戶選定的高度角下和水平高度角下可觀測的衛星個數占比，其中彩色標定的是用戶設定高度角下的可觀測衛星個數占總體該頻段下理論觀測個數的比值，黑色標記用戶設定高度角為水平時的可觀測衛星個數占總體該頻段下理論觀測個數的比值，該圖展示了不同測距碼和載波頻段對應的設定高度角下與不設定高度角下所能觀測到衛星個數占整體個數的情況。可見不管是衛星數還是觀測角,GPS的C1、C2碼、L1、L2載波以及S1、S2波段觀測到的衛星數量相比GPS其他波段的多,觀測高度角范圍則比其他波段的更大,而其他星座的各波段的觀測情況相當。圖5c展示了不同高度角下的可見衛星數占比。

圖3 各星座的衛星統計

圖2 各星座的多頻(彩色)/單頻(灰色)可見衛星柱狀圖

圖4 星座天球軌跡示意圖

圖6給出了各衛星星座的數據質量統計匯總信息, 主要包括數據可用率、 數據剔除比率、 剔除的單頻觀測數，以及由歷元、 衛星失鎖和信號擾動導致的周跳數量以及多路徑效應。 從圖6a可看出, GLLG站當天的觀測完整歷元數達到100%, 為了確保觀測數據的質量,Anubis對單頻觀測值進行了剔除并且統計;圖6b結合圖2可知該衛星星座某些時刻可見衛星為單頻衛星,由此導致Anubis刪除了約1 900個GLONASS的單頻觀測數據, 刪除率較高; 圖6c可知, GPS、 Galileo和BDS均出現了較少的信號中斷丟失,這反映了觀測環境變差,此外,GLONASS衛星數據還出現了周跳和失鎖的現象;圖6d展示了選定頻段的多路徑值,在本次觀測中的Galileo、BDS和GPS的多路徑值相當,而GLONASS的多路徑值略大。

從質量檢查結果圖7a多路徑RMS統計結果來看, 各星座的多路徑大小順序為:Galileo

圖5 觀測衛星數統計圖

圖6 觀測數據質量整體統計

圖7 質量檢查結果圖

由圖8a各方位的定位精度統計圖可知,GPS和Galileo的定位精度較好,且各星座在U方向的定位誤差均大于其他方向。圖8b為偏差氣泡圖,中心為0 m偏差,離中心越遠,偏差越大。可知GPS和Galileo的點相對于集中,說明偏差較小,而GLONASS和BDS的相對分散,點不均勻,說明偏差較大,且性能相對不穩定。

圖8 單點定位在二維平面的離散度統計

圖9展示了不同頻段的多路徑時間序列(GPSM2X、GPSM1C、GPSM5X、GPSM2W為GPS不同波段多路徑;GLOM1C、GLOM2P、GLOM2C為GLONASS不同波段多路徑;GALM7X、GALM1X、GALM5X、GALM8X為Galileo不同波段多路徑;BDSM2X、BDSM7X為BDS不同波段多路徑),通過分析時間序列可了解觀測數據在當天的不同時刻的質量情況,有利于決策測量時間。BDS的L2波段的多路徑值在20:00,出現了較密集的圓點,說明這一時間出現了較大的多路徑值。此外，其他星座的不同波段也在08:00后和20:00前出現較密集的圓點的概率較大,說明這些時間段的觀測質量相比其他時段略差。

圖10反映了信噪比隨時間的變化。點越密集,反映信噪比越高,數據質量越好。GPS、GLONASS和Galileo三衛星的信噪比圖呈現出中間大兩頭小的趨勢,具體來說,測站早上05:00—08:00和下午17:00—20:00這兩段時間信噪比降低,導致這一現象的具體原因有待下一步研究。

圖9 各衛星星座的多路徑效應時間序列

圖10 各衛星星座的信噪比時間序列

3 結束語

本文研究了利用Anubis進行質量檢查及可視化的方法, 通過與TEQC質量檢查結果對比, 發現TEQC與Anubis在質量檢查方面各具優勢, TEQC具有質量檢查快速、 分析內容全面等優點; Anubis則可以支持RINEX3格式的數據, 且具有質量檢查結果比TEQC寬松,但差異不大的優點。在此基礎上,利用Anubis對CORS站1 d的觀測數據進行質量檢查和可視化分析,結果表明Anubis能夠從衛星星座、信號波段以及觀測數據質量指標等各方面進行詳細分析,且提供了多路徑和信噪比的時間序列圖,因而能夠對觀測數據的質量隨時間變化的情況進行分析,可為測量作業的時間安排提供一定的參考依據。根據實際應用的具體需求,對Anubis進行二次開發和軟件封裝是接下來的研究工作。