Anubis軟件可視化封裝設計與實現

桑文剛，相鵬宇，張興國，盧 凱，畢京學，蔣 虎

(1. 山東建筑大學 測繪地理信息學院，濟南 250101；2. 濟南市勘察測繪研究院，濟南 250101)

0 引言

隨著北斗三號全面建成及投入使用，全球范圍內既有美國衛星導航系統(GPS，global positioning system)、格洛納斯衛星導航系統(GLONASS，global navigation satellite ssystem)、伽利略衛星導航系統(Galileo,galileo satellite navigation system)和中國北斗衛星導航系統(BDS, beiDou navigation satellite system)四大全球導航定位系統，又包括日本的準天頂衛星系統(QZSS，quasi-zenith satellite system)和印度導航系統(IRNSS，indian regional navigation satellite system)區域性系統，以及星基增強系統(SBAS,satellite-based augmentation system)、地基增強系統。用戶進入多系統、多星座、多模式、多頻段的導航定位新時代。用戶如何快速、準確直觀開展全球衛星導航系統(GNSS,global navigation satellite system)觀測數據統計及質量評定，是“四多”時代下充分利用豐富的導航定位信號資源，挖掘GNSS導航定位性能重要前提。眾多的GNSS系統為用戶提供更多的選擇，GNSS觀測數據質量的好壞，直接影響到用戶的導航定位性能，因此對GNSS系統數據分析也顯得尤為重要。

傳統的數據質量分析軟件，如數據質量檢測軟件(TEQC，translation,editing and quality checking)、格弗茲爾恩克斯軟件(GFZRNX)和實時數據流處理軟件(BKG Ntrip Client)等[1-4]，在對GNSS全系統支持、RINEX版本兼容及質量檢核精細度等多方面難以滿足多系統、多頻點數據質量分析需要[5-7]。由捷克國家大地測量、地形與地圖制圖研究所開發的Anubis軟件可有效彌補以上軟件不足，實現對GNSS全系統支持，且軟件開源，可進行二次開發。國內許多知名學者在Anubis的使用及數據分析方面進行了探究，陳秀德等人通過選取JFNG站某天數據對GPS/GLONASS/Galileo/BDS/QZSS/SBAS系統進行分析，驗證了Anubis在多系統、多頻點、多星座數據質量檢核方面的優勢[8]。在軟件的可行性方面，肖燕等人通過Anubis和TEQC軟件進行觀測數據質量分析對比，并對Anubis質量檢查指標進行了可視化分析，進一步驗證Anubis在GNSS數據質量分析方面的有效性和可行性[9]。與TEQC等軟件類似，Anubis以命令行模式運行，且軟件本身不具備可視化功能，需要借助官方提供繪圖腳本和第三方軟件實現固定模式的可視化，靈活性不高。因此，張濤、伊珣等學者嘗試利用Python給出Anubis可視化封裝，并闡述關鍵代碼以及模塊之間數據通信模式，為Anubis二次開發應用給出借鑒[10-11]。但是缺乏對Anubis整體上的介紹，用戶難以根據實際需求，設計編制特殊功能的軟件。在軟件編程方面，MATLAB可實現矩陣運算、提供交互式的App開發環境及豐富的數據可視化方式，廣泛的應用在控制設計、仿真實驗及圖像處理等領域，苗繼松等人便是利用MATLAB在數據可視化及仿真模擬方面的優勢，介紹了可視化GUI界面的設計方法及流程，將重復的參數配置操作以可視化界面的方式設計，不僅提高了在衛星星座參數配置方面的效率，而且體現了MATLAB與SKT軟件聯合二次開發的優越性[12-13]。為此，本文基于Anubis三大核心功能模塊，重點圍繞XML文件參數配置、運行以及結果文件格式說明與利用等給出詳細介紹與可視化封裝策略，最后利用MATLAB App Designer設計并實現了參數配置、數據處理、結果可視化于一體軟件工具箱。

1 Anubis核心模塊及配置

G-Nut是捷克國家大地測量所基于C++語言開發的核心庫，主要是應用于精確的GNSS數據分析和數據產品監測的軟件核心庫，Anubis便是利用該核心庫實現的，兼容Linux、Windows、Mac系統，其核心處理模塊可以快速實現對GNSS全星座的數據統計及定位精度、多路徑、信噪比等方面的質量檢核功能[14-15]。目前包括免費版本以及具有高級功能和實時解算功能的兩個商業付費版。免費版本開源，官網提供Anubis免費版本的源碼數據包，可在此基礎之上對其進行二次開發。本文以免費版為對象重點介紹其核心模塊及可視化封裝策略。

Anubis軟件整體分為參數配置、數據處理及輔助可視化三大模塊。在軟件操作過程中，用戶可通過以下命令獲取默認參數配置文件：

Anubis-X>Anubis_defaults.xml

可利用文本編輯器以手動輸入的方式對目標文件路徑、所需處理時段、質量檢核詳細度及檢核指標閾值等參數進行配置，并生成用戶自定義的配置文件user_defined.xml。通過如下命令調用核心處理模塊生成相應結果文件：

Anubis-xuser_defined.xml

在結果可視化方面，由于Anubis自身不具備可視化功能，用戶需采用官網提供的Perl語言腳本在Gnuplot繪圖軟件環境下生成固定模式的數據統計和質量檢核圖[16-17]，軟件數據處理流程如圖1所示。雖然Anubis在命令行模式下運行簡單效率高，但交互性、友好性較差，尤其是參數配置文件對于非專業人員也具有較大挑戰。同時，相比較軟件處理得到豐富的結果，官網提供的可視化腳本在時間跨度、表達模式多樣性、靈活性也難以實現對處理結果的完美展示，比如，對于CORS等永久觀測站等海量數據自動化監測難以發揮其作用，亟需進行二次開發[18-22]。

圖1 Anubis數據處理流程

2 可視化封裝基礎

綜合以上對Anubis的模塊介紹并結合圖1中的數據處理流程，可知對該軟件進行可視化開發的重點是在封裝核心數據處理模塊基礎上，利用高級語言開發人機交互界面，輔助用戶根據需求輕松實現參數配置文件各屬性的定制。同時，在深入了解處理結果文件結構的基礎上，實現對數據結果多種形式上的可視化分析。

2.1 參數配置可視化基礎

可擴展標記語言XML(Extensible Markup Language)具有高度靈活性、易于擴展和支持各種其他編程工具查看的特性，故G-Nut核心庫配備專門解析XML文件的輕量級處理庫，Anubis便是采用XML標記語言用于終端用戶進行相應的參數配置。XML參數配置文件的結構通常分為根元素和對應根的子元素，包含元素的名稱、屬性及文本信息，主要分為基本參數、衛星系統參數、質量檢核參數和文件路徑參數4個主要根元素。

1)本參數存放于根元素中，包括時間參數、數據采樣率及衛星系統等子元素。如果設定GPS系統不參與解算，可在元素中以‘-GPS’的方式進行配置，當然可按需自由設定其他衛星系統；站點名稱需按照觀測文件中的測站名稱進行配置。參數格式如表1所示。

表1 基本參數

2)星系統參數存放在<衛星系統縮略詞>根元素中(如GPS系統，則存放在中)。對于多系統、多頻點的數據處理過程中，Anubis還支持對GNSS系統的衛星編號、觀測類型、觀測頻段及信號通道的設定。格式如表2所示。

表2 衛星系統參數

3)質量檢核參數位于配置文件中的根元素中，分為報告詳細等級和質量檢核閾值設定兩個部分，其中報告等級部分在Anubis 開源版本默認參數配置文檔中給出設定范圍為0～9級，報告詳細程度隨著設定等級逐級提高。格式如表3所示。

表3 質量檢核參數

4)文件路徑參數在配置文件中的input和output根元素中，包括GNSS觀測文件、星歷文件的輸入及數據分析結果文件、軟件操作日志文件的輸出。同時，可設定路徑索引方便程序按照用戶的配置進行文件的輸入及輸出。格式如表4所示。

表4 文件路徑參數

因XML文件具有高度靈活、易于擴展和支持各種其他編程工具查看等特性，目前主流的軟件如服務端的Python、C、Java、MATLAB以及Web端的JavaScript等都會配備讀寫XML文件的解析庫，可根據開發需求自行選擇。以MATLAB在腳本函數中進行XML的讀寫操作為例，首先采用xmlDoc = xmlread(“Anubis_defaults.xml”)命令將參數配置文件載入文檔對象模型(DOM)節點中，然后以XML解析包中的getElementsByTagName()等命令按照屬性節點名稱完成屬性文本檢索。同時，也可以用creatElement()等命令對節點文本進行賦值。如圖2所示，首先創建基本參數根元素及系統根元素，然后對參數配置中系統根元素進行文本賦值，可設定‘GPS’系統是否參與數據解算進行配置，即可將該設定寫入到用戶自定義的user_defined.xml參數配置文件中。

圖2 衛星系統參數配置命令

用戶需要注意的是Anubis免費版僅能以單天為單位進行數據處理，對諸如CORS運維、GNSS形變監測等用戶在對多天海量數據進行綜合處理分析時，需手動反復配置參數文件及數據處理，效率不高。故針對此類應用場合，用戶可參考本文介紹的參數配置文件結構及自定義參數配置文件構建方法，以程序循環的方式生成參數配置文件及調用Anubis進行數據分析，即可得到長時序的數據結果。

2.2 檢核結果可視化封裝基礎

用戶配置好user_defined.xml文件后，調用Anubis主程序便可生成*.xtr和*.xqc兩個結果文件。其中xtr文件結構由統計摘要、文件頭信息、數據類型等若干數據塊組成。每個數據塊以“#======” 為起始符標識，其后緊跟其塊名稱與結果詳細等級指標。數據塊內包含若干數據行，數據行由6位字符關鍵字開頭，且關鍵字具有唯一性。以“#”緊跟關鍵字開頭為數據結構類型說明行，而以“=”或者空格緊跟關鍵詞開頭的為該數據行具體屬性值。關鍵字及其結構說明行是用戶快速對各檢核結果定位與操作處理前提，也是用戶進行結果可視化開發的關鍵。以獲取圖3中GPS系統信噪比統計信息為例，通過程序檢索關鍵字 ‘=GPSS1C’數據說明行對應衛星編號‘x01’位置及其屬性值，即可精準快速的完成數據檢索。xqc文件主要存儲定量的質量檢核數據及定性的導航數據可用性指標。遵循XML文件格式，利用其高度靈活和易于擴展的特性，方便用戶對xqc結果文件中的參數進行快速的數據提取。同時，適用于CORS運維及GNSS監測站的長期數據歸檔存儲及數據分析。用戶可參照上文中所介紹的XML文件格式及讀取的方法，對xqc文件進行數據可視化分析。

圖3 xtr結果文件

3 可視化開發實例

3.1 MATLAB App Designer

MATLAB是一款跨平臺的數據分析、控制測試與系統模擬、App構建等綜合性科研類編程軟件，支持在Windows、Mac及Linux環境下運行，也正是如此只需編寫一次程序便可在不同操作系統中直接運行，無需進行多次源碼編譯，為跨平臺調試程序提供了極大地便利性。App Designer 是MATLAB程序中的一款App設計工具，無需專業的軟件開發背景即可輕松上手，程序開發方式通過簡單的拖放可視化組件即可實現圖形界面的設計布局。以點對點交互式的方式為組件添加回調函數，讓編程的方式變得更加簡便，同時可編譯成獨立的桌面及Web端App，為用戶提供更多的選擇。

3.2 軟件編程設計思路

基于以上XML參數配置以及結果文件可視化封裝基礎，結合某單基站CORS系統日常運維對觀測數據檢核統計快速可視化操作的需求，尤其是實現可見衛星三維展示及單天-多天靈活分析等定制功能，采用MATLAB App Designer設計實現了集參數配置、數據處理及結果可視化操作與繪制一體化的Anubis軟件輔助工具箱AAT(Auto Anubis Toolbox)。軟件工具箱是基于Anubis核心處理模塊構建，設計流程如圖4所示，主要分為參數配置可視化界面和數據可視化分析界面兩部分，使用了選項組組件進行分頁處理，可實現不同功能界面的自由切換。

圖4 AAT軟件設計流程圖

編程的主要思路：前端部分利用App Designer提供的按鈕、文本框及復選框等交互處理控件為每項參數配置相應的解析函數以便精準的生成對應參數，然后按照MATLAB在腳本函數中對XML參數配置文件讀寫操作命令即可快速的生成核心處理模塊所需的參數配置文件，一切就緒后軟件后臺會主動調用Anubis的核心處理模塊進行數據處理；軟件后端接收到生成的數據處理結果文件，首先按照結果文件中的數據統計及質量檢核唯一關鍵字進行數據塊的索引和分割工作，然后依據用戶的實際選擇將單天處理數據直接在選項組面板中進行數據可視化呈現。對于連續處理的多天數據，程序自動按照設定的日期生成相應的參數配置文件及數據存檔文件夾，調用核心處理模塊進行數處理并將數據結果轉移到對應日期的文件夾進行歸檔存儲，在數據可視化方面，借助MATLAB豐富的可視化命令將融合數據結果以豐富多樣的可視化圖表呈現。

3.3 軟件設計及實現

軟件的參數配置界面，采用時間選擇器控件配合文本框，輕松實現采樣時段及采樣率設置。其中，多天數據處理時，后臺會自動提取、調用處理及歸檔數據。通過復選框及按提示輸入衛星系統參數，可快速實現對衛星編號、觀測頻段、觀測值類型和信號通道的配置以及按需對系統參數的過濾和多種方式數據參與解算的組合配置。質量檢核部分，用戶可根據需要設定各檢核指標閾值及各報告詳細度等參數。完成以上配置后使用‘生成配置文件’按鈕自動生成用戶自定義參數配置文件。點擊‘運行’，核心處理模塊便可根據用戶設置的參數及輸入文件后臺處理，生成相應的結果文件。借助MATLAB強大的圖形處理功能，繪制衛星天空圖、精度因子及數據完整率等圖并顯示在選項組的面板中。軟件主界面如圖5所示。

圖5 AAT軟件主界面

4 軟件功能的測試與分析

為了驗證AAT工具箱的封裝及可視化效果，選取某單基站CORS數據進行測試。在工具箱的衛星軌跡選項面板中可模擬顯示CORS站上空各衛星系統運行狀況。圖6給出在面板中的站心坐標系下選擇顯示某天北斗衛星三維軌跡，圖中的不同類型軌跡線表示該站接收到北斗系統的中圓地球軌道、傾斜地球同步軌道及地球同步軌道3種軌道衛星，還可實現不同衛星系統以及運行軌跡二三維自由切換顯示，從而有效監測CORS站上空衛星運行狀況。

圖6 北斗衛星三維軌跡

在精度因子選項面板中，可根據需求進行全系統、部分及單一系統的衛星數量與精度因子指標繪制。圖7給出某天北斗系統觀測衛星數量與空間位置精度因子的全天變化圖，亦可在面板中選擇顯示不同的精度因子指標。通過工具箱實現指標間組合顯示，更有利于分析衛星觀測數量及精度指標間的相關性。

圖7 定位精度因子時間序列

多路徑效應會嚴重影響觀測數據的精度，是由于衛星信號在傳播過程中受到周圍環境的干擾造成的，嚴重的時候會造成接收機與衛星之間的信號失鎖；信噪比是接收機觀測數據中的載波信號強度與噪聲強度之間的比值，是對接收機收到的數據質量評估的指標之一，通常觀測數據的信噪比越大，數據質量越高。圖8為北斗系統B3I頻段全部衛星的多路徑、信噪比和衛星高度角對比分析圖。可在多路徑及信噪比選項面板中設定不同的GNSS系統及頻段呈現數據圖表。以多種檢核指標組合的方式，較官方Perl語言腳本生成的點-柱狀圖相比，不僅數據可視化樣式豐富，而且對CORS站衛星信號接收及周圍環境的評估起到重要作用。

圖8 多路徑、信噪比及高度角時間序列

數據完整率是在處理數據的過程中，接收機實際接收到的數據歷元與全部數據歷元的比例，是衡量數據觀測質量的重要指標。AAT工具箱支持對多天數據觀測完整率分析，用戶可在參數配置界面中設定數據分析日期范圍，軟件后臺會自動處理并生成結果文件。圖9為2021年6月19日至2021年7月19日CORS站數據完整率分析圖。在數據完整率選項面板中選擇顯示GPS和BDS兩個系統，以天為單位對觀測數據完整率進行對比可視化分析，同樣支持對GNSS系統不同組合方式的數據完整率分析，可根據需求自行選擇。既省去了原本需重復參數配置及數據解算的過程，又可以反映CORS站觀測時段中數據的可用性、完好性及接收機性能的優劣。

圖9 數據完整率時間序列

5 結束語

為提高Anubis軟件人機交互性，降低非專業用戶參數配置難度，充分挖掘多模多頻下處理結果可視化分析多樣性以及部分用戶二次開發的需求，本文在介紹Anubis三大核心模塊基礎之上，重點分析參數配置文件及結果文件的結構，給出高級語言進行可視化封裝策略與方法。并以MATLAB App Designer為例，結合單基站CORS運維實際需求設計并開發了一款Anubis輔助工具箱，為用戶獨立進行二次開發和封裝提供借鑒。通過實測數據驗證，經封裝后的Anubis軟件，大大提高參數配置效率，尤其是突破了原軟件單天數據處理及成果可視化模式固定等局限性，可多角度、多維度展示‘四多’時代下數據統計及質量檢核成果，進一步提高其在CORS系統綜合數據質量評估及服務性能監測方面的應用。本文可為對Anubis進行實際需求方面的二次開發和軟件封裝的用戶作為一定的參考，具有一定的實用價值，在以后的研究工作中可結合編程軟件對其開源數據包進行整合開發，并嘗試服務器云端數據自動處理，各種終端用戶數據共享的效果。