Anubis與TEQC軟件在多模GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查中的應(yīng)用與對(duì)比分析

肖 燕,周 飛,唐詩華,劉海鋒,蒲 倫

(1.桂林理工大學(xué) a.測繪地理信息學(xué)院;b.廣西空間信息與測繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541006;2.廣西壯族自治區(qū)基礎(chǔ)地理信息中心,南寧 530023;3.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,武漢 430079)

隨著導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展,用戶已可獲得GPS、GLONASS、BDS和Galileo等多模GNSS觀測數(shù)據(jù), 測量精度要求也不斷提高。 目前常用的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件有TEQC、 BNC(BKG Ntrip Client)及gfzrnx等。 其中, TEQC軟件可以對(duì)RINEX2格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、 數(shù)據(jù)編輯和質(zhì)量檢核等操作, 但隨著軟件的維護(hù)更新, 可視化文件由COMPACT1升級(jí)為COMPACT3格式, 從而導(dǎo)致傳統(tǒng)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(fā)框架的開源軟件, 但是目前主要對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)、 頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析, 尚不支持對(duì)BDS的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[1]; gfzrnx軟件可以同時(shí)支持RINEX2和RINEX3格式, 但軟件不開源,且無法進(jìn)行可視化分析[2]。

由于各衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善, 以及用戶對(duì)精度的需求不斷提高, 解決多模數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及可視化分析的問題逐漸成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。 Anubis是由捷克共和國的Geodetic Observatory Pecny (GOP)研究機(jī)構(gòu)基于 G-Nut核心庫開發(fā)的一款開源的命令行工具, 可對(duì)所有可用GNSS星座的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查和可視化分析[3-4]。 陳秀德等[5]利用Anubis對(duì)MGEX站數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測, 介紹并驗(yàn)證了Anubis的數(shù)據(jù)檢查和可視化的主要功能。 陳佳清等[6]利用G-Nut/Anubis軟件對(duì)某市CORS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢核,實(shí)現(xiàn)了GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核可視化一鍵命令式解決, 提供了豐富的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核指標(biāo)。 劉智強(qiáng)等[7]利用Anubis對(duì)JFNG站和HUEG站的實(shí)測GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析, 證實(shí)了Anubis用于GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析具有操作簡單、評(píng)價(jià)內(nèi)容豐富、圖形化好、代碼開源等優(yōu)點(diǎn)。 康朝虎等[8]利用Anubis對(duì)多系統(tǒng)GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 并對(duì)其單點(diǎn)定位精度、 多路徑誤差、 信噪比進(jìn)行了可視化分析。 鑒于此, 本文首先介紹了質(zhì)量檢查的關(guān)鍵指標(biāo), 在此基礎(chǔ)上利用Anubis對(duì)CORS基準(zhǔn)站GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查,將結(jié)果與TEQC軟件對(duì)比分析,研究了兩款軟件的差異。此外,對(duì)Anubis的可視化分析研究表明，Anubis可實(shí)現(xiàn)對(duì)多模GNSS數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查,并且可提供豐富的可視化分析手段,對(duì)于CORS站等多模數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和控制具有一定的參考價(jià)值。

1 質(zhì)量檢查指標(biāo)

觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量是確保GNSS定位精度的前提,而GNSS觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量可從數(shù)據(jù)有效率、周跳、多路徑效應(yīng)、電離層延遲變化率以及信噪比等指標(biāo)反映出來。

數(shù)據(jù)有效率是表征基準(zhǔn)站有效觀測值和評(píng)估數(shù)據(jù)完整性的指標(biāo),根據(jù)觀測時(shí)設(shè)置的衛(wèi)星截止高度角及相應(yīng)時(shí)段的衛(wèi)星星歷,可計(jì)算理論上能接收的衛(wèi)星觀測值個(gè)數(shù)N0,然而實(shí)際上由于觀測環(huán)境和接收設(shè)備的影響,在該時(shí)段接收到的觀測個(gè)數(shù)N1與理論值不相等[9],該差異可通過數(shù)據(jù)有效率R衡量

R=N1/N0。

(1)

多路徑效應(yīng)是在發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)的衛(wèi)星、接收機(jī)天線及天線附近物體之間構(gòu)成的某種相對(duì)空間關(guān)系的環(huán)境下產(chǎn)生的合成信號(hào)相對(duì)于直達(dá)接收機(jī)天線信號(hào)的一種延遲現(xiàn)象[10]。這種延遲信號(hào)由于其對(duì)波長的依賴性而導(dǎo)致每種類型的GNSS信號(hào)具有不同的測量誤差,且直接反映了基準(zhǔn)站周圍的環(huán)境質(zhì)量,因此是衡量GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。計(jì)算L1、L2載波多路徑效應(yīng)[11]:

(2)

(3)

其中：MP1、MP2分別表示L1和L2載波上的多路徑效應(yīng)對(duì)偽距和相位影響的綜合指標(biāo)；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(jī)在跟蹤衛(wèi)星過程中,由于某種原因發(fā)生信號(hào)失鎖,導(dǎo)致載波相位觀測中整周計(jì)數(shù)不連續(xù),進(jìn)而使相關(guān)觀測值較正常值出現(xiàn)一個(gè)整數(shù)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(gè)數(shù);slps為周跳次數(shù)。

本文對(duì)CORS站數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要選取了數(shù)據(jù)有效率、多路徑效應(yīng)、周跳等3項(xiàng)指標(biāo)。數(shù)據(jù)有效率應(yīng)保持在90%以上[12],如果低于一定比例,則說明數(shù)據(jù)的完整性不足,有必要系統(tǒng)地分析外部環(huán)境因素。國際GNSS服務(wù)組織(IGS)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測分析顯示,對(duì)于多路徑效應(yīng)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(shù)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(jù)IGS的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及具體的工程要求,若某一指標(biāo)超限或者多個(gè)指標(biāo)均接近限值,則可認(rèn)為該數(shù)據(jù)的質(zhì)量不佳,可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行剔除或降權(quán)。

2 算例分析

2.1 TEQC與Anubis質(zhì)量檢查

為了進(jìn)行兩款軟件的質(zhì)量檢查對(duì)比分析,一致采用廣西桂林市GLLG CORS基準(zhǔn)站的2019年1月1—7日共7 d的全天觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查對(duì)比,數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s(采樣間隔可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)置),根據(jù)高度角設(shè)置原則[15],本次將衛(wèi)星截止高度角設(shè)為10°,接收機(jī)型號(hào)為TRIMBLE NETR9,天線類型為扼流圈天線。

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

Anubis質(zhì)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(rèn)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(duì)其設(shè)置質(zhì)量檢查的數(shù)據(jù)文件名和生成的質(zhì)量檢查報(bào)告名。

表1列出了2019.2.25版本的TEQC以及2.2.4版本的Anubis質(zhì)量檢查生成的文件。在質(zhì)量檢查時(shí),TEQC步驟簡單,可以直接輸入命令進(jìn)行質(zhì)量檢查,TEQC分別從衛(wèi)星仰角、方位角、多徑效應(yīng)、 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(shù)據(jù)的質(zhì)量。 與TEQC相比, Anubis在進(jìn)行質(zhì)量檢查時(shí), 需要配置默認(rèn)文件, 但同樣可以進(jìn)行多方面的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析, 其質(zhì)量檢查報(bào)告的所有指標(biāo)包含在.xtr和.xqc兩個(gè)文件中。

表1 TEQC和Anubis質(zhì)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(zhì)量檢查報(bào)告文件的部分摘要內(nèi)容。兩款軟件一致列出了觀測數(shù)據(jù)各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo):數(shù)據(jù)觀測的開始時(shí)間為00:00:00, 結(jié)束時(shí)間為23:59:45, 采樣間隔為15 s, 采樣時(shí)長為24 h。 對(duì)于實(shí)際采樣數(shù), TEQC和Anubis計(jì)算的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)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(shù)不一樣(分別是88 429和111 442), 因此其報(bào)告的數(shù)據(jù)有效率相差較大, 分別為97%和74%。 兩款軟件報(bào)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(dǎo)致這些結(jié)果的原因是軟件設(shè)置的期望值和計(jì)算方法不一樣。 此外, 從多路徑來看, 由于在本次實(shí)驗(yàn)中, TEQC沒有分開計(jì)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(rèn)對(duì)不同星座進(jìn)行了分別計(jì)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(zhì)量檢查報(bào)告文件摘要內(nèi)容對(duì)比

為了進(jìn)一步對(duì)比研究Anubis與TEQC的質(zhì)量檢查精度,本文以TEQC的采樣期望值為標(biāo)準(zhǔn),采用式(1)和式(4),在Anubis報(bào)告文件的基礎(chǔ)上,分別重新計(jì)算了數(shù)據(jù)有效率Ratio和周跳o/slps。此外,將Anubis軟件計(jì)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(jié)果見表2。

可以看出,TEQC和Anubis兩款軟件計(jì)算的質(zhì)量檢查指標(biāo)幾乎一致,但是,對(duì)于數(shù)據(jù)有效率和周跳兩個(gè)指標(biāo),Anubis的計(jì)算值均比TEQC的大,而對(duì)于剩下的其他指標(biāo)(CSR和多路徑指標(biāo)),Anubis的計(jì)算值均比TEQC的小,說明在質(zhì)量檢查方面,如果按TEQC的期望采樣率計(jì)算,Anubis質(zhì)量檢查指標(biāo)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(duì)質(zhì)量檢查結(jié)果進(jìn)行可視化分析,其中TEQC需借助第三方軟件(如QCVIEW等)對(duì)質(zhì)量檢查文件進(jìn)行可視化。Anubis相比TQEC更為便捷,且可從更多角度對(duì)質(zhì)量檢查結(jié)果進(jìn)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(fā)的可視化工具,ANUBIS.xtr為Anubis生成的質(zhì)量檢查報(bào)告,命令后半部分為一系列可設(shè)置的繪圖參數(shù)。本文選取2019年第27天GLLG站24 h的數(shù)據(jù)對(duì)Anubis可視化進(jìn)行研究。

表2 TEQC與重新計(jì)算的Anubis質(zhì)量檢查結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比

圖2統(tǒng)計(jì)了各星座對(duì)應(yīng)時(shí)刻的可見衛(wèi)星數(shù),BDS和GPS的全天時(shí)刻可見衛(wèi)星數(shù)均相比GLONASS和Galileo多。結(jié)合圖3可看出,該接收機(jī)對(duì)北斗系統(tǒng)僅接收到BDS-2的衛(wèi)星,未接收到BDS-3的衛(wèi)星,其中橫軸為衛(wèi)星編號(hào)，豎軸為衛(wèi)星可用的碼或相位頻段數(shù)。圖4為各星座的天球軌跡圖,橫軸為衛(wèi)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(fā)展較早,建設(shè)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(qū)提供服務(wù),逐漸擴(kuò)展到全球,在2019年系統(tǒng)還未完全建成,因此BDS和衛(wèi)星數(shù)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(nèi),屬于目前BDS的主要服務(wù)區(qū),因此圖2中BDS對(duì)應(yīng)時(shí)刻的可見衛(wèi)星數(shù)仍比GPS略多。

由圖3可知, 本次觀測到的BDS星座的衛(wèi)星總數(shù)為15顆, 結(jié)合圖2分析, CORS站每小時(shí)平均能觀測到BDS衛(wèi)星數(shù)為11～12顆；而觀測到GPS星座的衛(wèi)星總數(shù)為31顆,CORS站每小時(shí)平均觀測到的GPS衛(wèi)星數(shù)為8～9顆。由此可見,在國內(nèi)BDS同一顆衛(wèi)星的利用率相比其他星座更高。圖5a展示了各星座對(duì)應(yīng)波段觀測到的衛(wèi)星數(shù),圖5b為用戶選定的高度角下和水平高度角下可觀測的衛(wèi)星個(gè)數(shù)占比，其中彩色標(biāo)定的是用戶設(shè)定高度角下的可觀測衛(wèi)星個(gè)數(shù)占總體該頻段下理論觀測個(gè)數(shù)的比值，黑色標(biāo)記用戶設(shè)定高度角為水平時(shí)的可觀測衛(wèi)星個(gè)數(shù)占總體該頻段下理論觀測個(gè)數(shù)的比值，該圖展示了不同測距碼和載波頻段對(duì)應(yīng)的設(shè)定高度角下與不設(shè)定高度角下所能觀測到衛(wèi)星個(gè)數(shù)占整體個(gè)數(shù)的情況?？梢姴还苁切l(wèi)星數(shù)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(wèi)星數(shù)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(dāng)。圖5c展示了不同高度角下的可見衛(wèi)星數(shù)占比。

圖3 各星座的衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)

圖2 各星座的多頻(彩色)/單頻(灰色)可見衛(wèi)星柱狀圖

圖4 星座天球軌跡示意圖

圖6給出了各衛(wèi)星星座的數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)匯總信息, 主要包括數(shù)據(jù)可用率、 數(shù)據(jù)剔除比率、 剔除的單頻觀測數(shù)，以及由歷元、 衛(wèi)星失鎖和信號(hào)擾動(dòng)導(dǎo)致的周跳數(shù)量以及多路徑效應(yīng)。 從圖6a可看出, GLLG站當(dāng)天的觀測完整歷元數(shù)達(dá)到100%, 為了確保觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量,Anubis對(duì)單頻觀測值進(jìn)行了剔除并且統(tǒng)計(jì);圖6b結(jié)合圖2可知該衛(wèi)星星座某些時(shí)刻可見衛(wèi)星為單頻衛(wèi)星,由此導(dǎo)致Anubis刪除了約1 900個(gè)GLONASS的單頻觀測數(shù)據(jù), 刪除率較高; 圖6c可知, GPS、 Galileo和BDS均出現(xiàn)了較少的信號(hào)中斷丟失,這反映了觀測環(huán)境變差,此外,GLONASS衛(wèi)星數(shù)據(jù)還出現(xiàn)了周跳和失鎖的現(xiàn)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(dāng),而GLONASS的多路徑值略大。

從質(zhì)量檢查結(jié)果圖7a多路徑RMS統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看, 各星座的多路徑大小順序?yàn)?Galileo

圖5 觀測衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

圖6 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量整體統(tǒng)計(jì)

圖7 質(zhì)量檢查結(jié)果圖

由圖8a各方位的定位精度統(tǒng)計(jì)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(yuǎn),偏差越大?？芍狦PS和Galileo的點(diǎn)相對(duì)于集中,說明偏差較小,而GLONASS和BDS的相對(duì)分散,點(diǎn)不均勻,說明偏差較大,且性能相對(duì)不穩(wěn)定。

圖8 單點(diǎn)定位在二維平面的離散度統(tǒng)計(jì)

圖9展示了不同頻段的多路徑時(shí)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(shí)間序列可了解觀測數(shù)據(jù)在當(dāng)天的不同時(shí)刻的質(zhì)量情況,有利于決策測量時(shí)間。BDS的L2波段的多路徑值在20:00,出現(xiàn)了較密集的圓點(diǎn),說明這一時(shí)間出現(xiàn)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(xiàn)較密集的圓點(diǎn)的概率較大,說明這些時(shí)間段的觀測質(zhì)量相比其他時(shí)段略差。

圖10反映了信噪比隨時(shí)間的變化。點(diǎn)越密集,反映信噪比越高,數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。GPS、GLONASS和Galileo三衛(wèi)星的信噪比圖呈現(xiàn)出中間大兩頭小的趨勢(shì),具體來說,測站早上05:00—08:00和下午17:00—20:00這兩段時(shí)間信噪比降低,導(dǎo)致這一現(xiàn)象的具體原因有待下一步研究。

圖9 各衛(wèi)星星座的多路徑效應(yīng)時(shí)間序列

圖10 各衛(wèi)星星座的信噪比時(shí)間序列

3 結(jié)束語

本文研究了利用Anubis進(jìn)行質(zhì)量檢查及可視化的方法, 通過與TEQC質(zhì)量檢查結(jié)果對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)TEQC與Anubis在質(zhì)量檢查方面各具優(yōu)勢(shì), TEQC具有質(zhì)量檢查快速、 分析內(nèi)容全面等優(yōu)點(diǎn); Anubis則可以支持RINEX3格式的數(shù)據(jù), 且具有質(zhì)量檢查結(jié)果比TEQC寬松,但差異不大的優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,利用Anubis對(duì)CORS站1 d的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查和可視化分析,結(jié)果表明Anubis能夠從衛(wèi)星星座、信號(hào)波段以及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)等各方面進(jìn)行詳細(xì)分析,且提供了多路徑和信噪比的時(shí)間序列圖,因而能夠?qū)τ^測數(shù)據(jù)的質(zhì)量隨時(shí)間變化的情況進(jìn)行分析,可為測量作業(yè)的時(shí)間安排提供一定的參考依據(jù)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的具體需求,對(duì)Anubis進(jìn)行二次開發(fā)和軟件封裝是接下來的研究工作。