利用Anubis 檢核BDS 觀測數據質量

伊 珣，徐愛功，唐龍江

(遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

截止到2020 年7 月，隨著北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）最后一顆衛星入網工作，代表著我國自主研發的導航系統全面建成，很快可以對全球范圍內的用戶提供定位服務。而衛星觀測數據的質量好壞，很大程度上影響了定位和其他服務的精確性，所以對BDS衛星的觀測數據進行質量評估是非常有意義的。

由于國外主流的數據格式轉換、元數據編輯及數據質量檢查（translation, editing and quality checking, TEQC）軟件只能處理接收機自主交換格式（receiver independent exchange format, RINEX）2.11 版及其之前版本的全球定位系統（global positioning system, GPS）和格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system, GLONASS）數據，無法處理BDS 和高版本的RINEX 數據，且軟件不開源，可視化效果不夠理想，不能滿足當前質量分析的需求。德國聯邦制圖和大地測量局（Das Bundesamt für Kartographie und Geod?sie, BKG）的恩特里普（Ntrip）克連特（Client）軟件，主要應用于單點定位，數據檢核方面功能不全面。爾特克利布（RTKLIB）處理結果輸出不夠詳細，且檢核質量和精度不高。格-努特（G-Nut）/阿努比斯（Anubis）軟件相比于TEQC 軟件，同時支持RINEX2 和RINEX3 版本的BDS 數據質量檢核，精度高且功能強大，所以實驗利用Anubis 軟件來處理北斗衛星導航（區域）系統即北斗二號（BeiDou navigation satellite (regional) system, BDS-2）及第三代北斗衛星導航系統即北斗三號（BeiDou navigation satellite system with global coverage, BDS-3）的觀測數據質量[1-5]，并編程實現數據的批量處理與提取。

許多學者利用Anubis 等軟件對BDS 的數據質量進行過檢核與分析。文獻[6]利用Anubis 軟件，對江門川島區域三個測站的全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）數據進行了檢核，GPS/GLONASS/BDS 的數據可用率均大于90%，伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）的數據可用率為80.02%，GLONASS 的多路徑誤差值最小，各測站的周跳比均小于1；文獻[7]對BDS-2 和BDS-3 中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）衛星的B3I 頻率數據質量進行了分析，發現BDS-3 衛星數據完整率和信噪比高于BDS-2，多路徑誤差小于BDS-2，沒有在BDS-3 中觀測到BDS-2 存在的系統誤差[7]；文獻[8]采用Anubis 軟件和TEQC 軟件對GPS、GLONASS、BDS 和Galileo 觀測數據的進行質量檢查分析，結果表明這兩款軟件檢核結果相當，數據質量均符合國際全球衛星導航定位系統服務組織（International global navigation satellite systems（GNSS） Service, IGS）的經驗值；文獻[9]利用Anubis 軟件對GPS/BDS 觀測數據的質量進行了分析對比，結果表明，BDS/GPS 觀測數據的質量基本處于同一水平。本文將從數據完整率、信噪比、周跳和多路徑誤差4 個方面，對BDS-2/BDS-3 B1I/B3I服務信號的觀測數據質量進行評估。

1 北斗衛星導航系統簡介

2020 年7 月，第55 顆BDS 衛星成功入網，至此BDS 全面建成。BDS-2 的第1-16 號衛星提供B1I/B2I/B3I 三個公開服務信號；BDS-3 第19-30號衛星和第 32-46 號衛星提供 B1I/B3I/B1C/B2a/B2b 信號；第59-60 號衛星提供B1I/B3I 信號；第31 號衛星、第56-58 號衛星和第61 號衛星是BDS-3 的實驗衛星，信號體制與BDS-3 不完全相同[10]。本文對IGS 提供的2020-02-29 的觀測文件進行統計。目前全球分別有283 個和285 個測站能夠觀測到BDS-2 和BDS-3 衛星，觀測站的數量呈遞增趨勢，越來越多的國家和地區重視對BDS衛星的觀測。圖1 為BDS 衛星觀測站數量逐年趨勢圖。

圖1 BDS 衛星觀測站數量逐年趨勢

2 Anubis 軟件功能與拓展

2.1 Anubis 軟件簡介

Anubis 軟件是由捷克國家大地測量、地形與地圖制圖研究所開發的一款可以對所有衛星導航系統觀測數據都適用的免費開源質量分析軟件，由C++語言編寫，可以通過命令行窗口進行多系統的文件處理，內容強大，處理數據精準。用戶可以根據自己需求調整配置文件，來獲取想要信息的詳細程度。檢核質量精準，容易實現可視化，支持視窗（Windows）和利努克斯（Linux）系統，支持 RINEX2.xx 和 RINEX3.0x 格式。Anubis 軟件檢核的結果文件為.xtr 后綴文件，信噪比、周跳和多路徑誤差均可以精確到每顆衛星的每個信號。

2.2 Anubis 軟件數據批量處理與提取

Anubis 軟件每次只能處理一天的數據，而且每次處理數據前都需要手動更改配置文件，修改文件名和觀測時段等各種信息。如果處理數據的時間跨度大、測站數量較多時，效率就很低了。本文利用派森（Python）語言對Anubis 軟件的功能進行了拓展，輸入處理數據的起始年積日和結束年積日后，程序就可以自動更改配置文件。由于本文實驗分年份進行，所以設置其可對一年內的多個測站的數據質量檢查，自動提取所需要的質量評估結果，包括各個信號和各衛星的多路徑誤差、周跳、信噪比和數據完整率，程序主函數如圖2，提取結果如表1 所示。

圖2 拓展功能主函數

表1 提取的結果文件

程序的處理流程為：1）從布勒德姆（BRDM）文件中獲取文件的年月日，并在配置文件中修改為對應日期；2）如果缺少文件則會報錯，并跳過出錯的年積日，繼續進行檢核；3）獲取文件夾下的o 文件和BRDM 文件名，并在配置文件中修改；4）執行Anubis 軟件的檢核命令Anubis -x anub-2.1.2.xml -l process.log；5）讀取結果文件，將其中需要的部分提取出來，并分類存到指定文件夾的文件中；6）重復以上步驟直至處理完所有數據。

3 BDS 數據質量檢核

3.1 信噪比檢核

圖3 RINEX 文件中的信噪比

3.2 多路徑誤差檢核

在GNSS 觀測中，由于接收機可以接收到周圍環境反射的衛星信號，對直接接收的衛星信號產生干擾，導致觀測結果與真值產生偏差，就是多路徑誤差[13]。多路徑誤差通常反映了周圍環境和其他因素對信號傳播的影響，多路徑誤差越小，說明抗多路徑能力越強。多路徑誤差通常可以通過偽距和載波相位觀測值組合求得[14]，即

式中：Mk為偽距多路徑誤差；kP為雙頻偽距觀測值；iL和Lj為雙頻載波相位觀測值；fi、fj和fk為載波頻率；k、i和j為頻率編號。

3.3 數據完整性檢核

受到測站周圍環境的高大建筑物或植物等影響，以及在信號傳輸過程中造成的數據缺失，數據解析過程中校驗不通過等原因，在用戶接收到衛星的觀測數據時數據不完整，導致定位結果偏差，嚴重時甚至無法解算定位。數據完整性是可用歷元和理論歷元的比值，反映了數據的連續情況和質量水平，數據完整性的比值越大，數據質量就越好。一般來說，數據完整性小于85%，就應該考慮優化測站的位置或者周圍環境，數據完整性定義為

式中：C、T分別為可用歷元和理論歷元，理論歷元就是自觀測時間起，根據采樣間隔和結束時間來計算出來的，對評價測站指標有重要意義。

3.4 周跳比檢核

周跳是指GNSS 接收機在跟蹤載波信號時發生的暫時失鎖現象，導致整周計數發生跳變或者中斷。周跳是影響測量精度的一個重要指標，當數據發生異常、變化超過某一個閾值，就認為發生了周跳，有的學者利用周跳比來反映周跳的情況，周跳比的值越小表示周跳越少，數據質量越好，計算公式為

式中：S、O分別為周跳數與總數據個數；J為周跳比。

4 BDS 數據質量檢核實驗分析

本文利用2017 年、2018 年和2019 年共3 年，全球26 個測站的觀測數據對BDS 數據質量進行檢核。采集數據時，衛星截止高度角均設置為15°，采樣間隔為30 s，采用BRDM 混合廣播星歷。利用Anubis 的質量檢核結果來評估分析BDS-2 和BDS-3的數據質量，表2 為所選測站分布地區，圖4 為各測站每年的觀測天數和測站觀測BDS 衛星數。

In regards to the short term clinical outcomes, we studied the procedure time, the time to resume diet,the time to full ambulation, the duration of the total hospital stay and the complication rate.

圖4 測站觀測數據情況

表2 測站分布

由圖4 可知，KIR8 站和MAR7 站的年觀測天數均少于100 d，ARUC 站、BSHM 站、FFMJ 站和HUEG 站的2017 年觀測天數少于250 d，其余的測站每年的平均觀測天數均在250 d 以上，觀測時間滿足實驗要求。從圖4（b）可以看出，測站觀測的BDS 衛星數量呈現逐年增加的趨勢，在2019 年呈現爆發式增長，除TIT2 站僅觀測16 顆以外，其余測站觀測數量均在20 顆以上，說明最近幾年BDS不僅發展迅速，而且越來越被各個國家和地區重視。

圖5 為各測站3 年數據完整率的平均值。

圖5 B1I、B3I 信號的數據完整率

從圖5 可以看出：部分測站沒有觀測B3I 信號，B1I 和B3I 信號在不同測站的數據完整率有所差異，BSHM 站、KIR8 站、LPGS 站和MET3 站B3I 信號數據完整率優于B1I 信號，其余測站B1I信號均優于B3I 信號；數據完整性最大為ARUC站的B1I 信號，完整率為97.39%，最小的是GAMG站的B3I 信號，僅為56.91%。除ARUC 站、GAMG站、HUEG 站、KIR8 站、TIT2 站和YEL2 站外，其余測站的兩種信號數據完整率均大于80%。

圖6 為各測站3 年的信噪比平均值。從圖6 可以看出：LPGS 站BDS-2 B3I 信號的信噪比大于BDS-3 B3I 信號，MET3 站BDS-2 B1I 信號的信噪比大于BDS-3B1I 信號；除LPGS 站及MET3 站之外，其他測站BDS-3 B1I 信號和BDS-3 B3I 信號的信噪比均優于BDS-2 衛星。ARUC 站BDS-2 B3I信號的信噪比最低，為32.97 dB·Hz，HOB2 站BDS-3 B3I 的信噪比最大，為47.59 dB·Hz；除ARUC 站、BSHM 站和MET3 站外，其他測站BDS-3 B1I 信號和BDS-3 B3I 信號的信噪比均大于40 dB·Hz，由此可以看出，BDS-3 信號的信噪比整體優于BDS-2信號的信噪比。

圖6 各測站信噪比

圖7 為各測站3 年的多路徑誤差平均值。

圖7 多路徑誤差

從圖7 可以看出：BDS-3 B1I 信號的質量相較于BDS-2 B1I 信號的質量有了很大的提升，只有CEDU 站和KRGG 站BDS-3 B1I 信號的多路徑誤差大于BDS-2 B1I 信號；B3I 信號的整體質量優于B1I 信號，說明測站周圍環境對B1I 信號的影響較大。BDS-2 B1I 信號的多路徑誤差很差，最多達到0.71 m。BDS-3 B3I 信號的整體質量來說很好，除了ZIM3 站外，其余均在0.3 m 以內。

由于BSHM 站的B1I 信號和B3I 信號的周跳異常，都在1 000 以上，所以將其剔除后重新進行繪圖，如圖8 所示。

從圖8 可以看出：在CEDU 站、GAMG 站、HARB 站、HOB2 站、PADO 站、RGDG 站、UNB3站和YEL2 站上，B1I 信號及B3I 信號的周跳比均小于10，信號質量很穩定，其余跟蹤站均有大量周跳產生，其中DYNG 站及HUEG 站的B1I 信號及B3I 信號，FFMJ 站及WTZZ 站的B1I 信號的周跳比超過了100，大約發生了400 次周跳，穩定性很差。

圖8 各測站周跳比

選取上述實驗中結果較好的 CEDU 站和HOB2 站，檢核2017—2019 年的觀測數據，對BDS-2和BDS-3 衛星的數據質量進行進一步分析。因所選數據僅能觀測到BDS-3 的MEO 衛星，下文僅對BDS-2/BDS-3 的MEO 衛星進行區分，地球靜止軌道（geostationary Earth orbit,GEO）衛星和傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous orbits, IGSO）衛星均為BDS-2 衛星。

圖9 為CEDU 站和HOB2 站3 年的數據完整率。

圖9 數據完整率

由圖9 可知:CEDU 站的B1I 和B3I 在2017年1—3 月數據完整性很差，最低只有10%，同時期的HOB2 站沒有觀測數據，此時間BDS 剛剛發射了第22 顆和第23 顆衛星，還處于發展階段，尚未在全球范圍內提供高精度定位服務，而CEDU 站和HOB2 站均處于大洋洲，導致數據完整率差。在此之后兩個測站的B1I 信號完整率均在80%以上，B3I 信號在2019 年較差，完整率在60%～80%間浮動。

圖10 和圖11 為CEDU 站和HOB2 站的信噪比和多路徑誤差。

圖10 信噪比

由圖10 可以看出所有統計的衛星信噪比均在40 dB·Hz 以上，3 年期間基本保持穩定，波動不大，BDS-2 的MEO 衛星和BDS-3 的MEO 衛星信噪比相當，且皆大于GEO 和IGSO 衛星。由圖11可知，除了BDS-2 的MEO 衛星以外，其余衛星多路徑誤差均在0.2 m 以內。除2017 年CEDU 站的GEO 衛星之外，GEO 和IGSO 的多路徑誤差均優于MEO 衛星，且BDS-3 優于BDS-2 的GEO 衛星0.05 m 左右。

圖11 多路徑誤差

結合實驗結果，BDS-3 的信噪比和多路徑誤差優于BDS-2。BDS-3 與BDS-2 的MEO 衛星信噪比差別不大，但多路徑誤差減少了0.05 m。B1I 信號的數據完整率整體優于B3I 信號，但B3I 信號的多路徑誤差小于B1I 信號。

5 結束語

本文利用Anubis 軟件對26 個測站2017—2019 共3 年的數據進行檢核，并對其數據完整率、信噪比、多路徑誤差和周跳4 個檢核標準進行分析，結論如下：

1）在同時觀測到兩種信號的測站中，有12 個測站B1I 信號完整率大于B3I 信號，僅有4 個測站B3I 信號完整率大于B1I 信號。其余測站的兩種信號數據完整率均大于 80%。除 ARUC 站、GAMG 站、HUEG 站、KIR8 站、TIT2 站和YEL2站外，其余測站的兩種信號數據完整率均大于80%。CEDU 站和HOB 站在2017 年4 月前的完整率很差，低于60%，隨著BDS 的發展，在2017 年中旬之后有大幅提升。

2）除ARUC 站、BSHM 站和MET3 站外，其余測站的BDS-3 兩種信號信噪比均大于40 dB·Hz，總體質量能滿足定位需求。僅有LPGS 站和MET3站的BDS-2 信噪比高于BDS-3，可以看出BDS-3的B1I 信號和B3I 信號的信噪比大體上優于BDS-2衛星。BDS-2 和BDS-3 的MEO 衛星信噪比差別不大，皆大于GEO 和IGSO 衛星，在選取的時間段內，信噪比均大于40 dB·Hz，非常穩定。

3）多路徑誤差方面，BDS-3 相較于BDS-2 提升了很多，B3I 信號整體質量優于B1I 信號，說明測站周圍環境對B1I 信號的影響較大。大部分測站均在0.3 m 以內，質量滿足要求。GEO 和IGSO的多路徑誤差均優于MEO 衛星，BDS-3 的MEO衛星優于BDS-2 的同類衛星0.05 m 左右。

4）有16 個測站的周跳比大于10，并有4 個測站的周跳比超過100，說明BDS 衛星的數據質量不夠穩定，B1I 信號的浮動最大。