康朝虎，劉 寧，2，田永瑞，蔡曉軍，李宇磊

(1.長安大學 地質工程與測繪學院，西安 710054；2.地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054)

0 引言

全球衛(wèi)星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)發(fā)展迅猛，繼美國的全球定位系統(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)和歐洲的伽利略衛(wèi)星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)之后，中國的北斗衛(wèi)星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)也日益表現出卓越的導航、定位能力[1]。高精度位置信息的獲取必然依賴GNSS數據預處理，數據質量檢查提供的信息不僅有利于數據后處理，還有益于高質量觀測數據的收集、存儲[2]。上述多種系統、信號、頻率的出現給GNSS數據預處理帶來了新的挑戰(zhàn)。RINEX3.0x格式已經包容了上述提到的所有系統、所有頻段的數據[3]。此外，由國際GNSS服務組織(The International GNSS Service，IGS)發(fā)起的多模GNSS實驗跟蹤網(multi-GNSS experiment，MGEX)運動提供的實驗數據最為豐富，且這些數據在實驗分析之前需要合理的檢查[4]。面對如此豐富的GNSS觀測值，對其進行全面高效的檢查分析就顯得格外重要。

目前常用的GNSS數據預處理軟件有BNC(BKG ntrip client)及TEQC(translation，editing and quality checking)，但只有BNC是開源的，且支持RINEX3.0x格式，但其操作相對復雜[5]。國內學者對上述預處理軟件進行了相關研究。文獻[5]利用改進的BNC對BDS觀測數據進行檢查分析；文獻[6]利用TEQC對不同環(huán)境下的實測GPS數據進行了質量分析；文獻[7]對TEQC在GPS數據質量檢核中的應用進行了分析，然后利用TEQC進行了單點定位計算并分析；文獻[8]對TEQC處理結果文件的可視化方法進行對比，提出利用RTKLIB對觀測文件進行質量檢查和繪圖。上述研究都是對單一系統數據進行預處理，且所用軟件TEQC不支持RINEX3.0x格式、BNC操作相對復雜。基于此，本文引入一種新興GNSS數據預處理軟件Anubis，并用其處理MGEX多系統觀測數據與實測數據，通過分析，得出一些有益結論。

1 Anubis簡介

Anubis 是一個GNSS 數據預處理新興軟件，由捷克國家大地測量、地形與地圖制圖研究所開發(fā)。Anubis可以對GPS、GLONASS、Galileo、BDS、星基增強系統(satellite-based augmentation system，SBAS)、日本的準天頂衛(wèi)星系統(quasi-zenith satellite system，QZSS)和印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(indian regional navigation satellite system，IRNSS)的觀測量進行質量檢核與分析，且支持RINEX2.xx和RINEX3.0x格式。此軟件功能全面，具體包括數據缺失和小數據塊檢測、觀測值可用頻帶統計、周跳和鐘跳檢測、多路徑效應影響估計、計算信噪比等，若同時提供導航數據還可以進行標準單點定位、方位角和高度角計算。Anubis 軟件免費開源，支持 Windows、Linux 和 macOS 等常見操作系統[3]。類似于 TEQC，該軟件也在命令行窗口運行。通過預設好的配置文件，Anubis一次可對多個RINEX文件進行并行預處理操作，此舉可簡化處理流程，提高效率。Anubis的第一版于2013年發(fā)布，目前最新版本是Anubis2.1.2。下載網址為http：//www.pecny.cz[3]。

1.1 使用方法

下載與計算機操作系統匹配的軟件(以Windows操作系統為例)并將其重命名為anubis，后綴改為exe，在dos窗口進入軟件所在目錄。Anubis可接收的命令行參數有-h、-V、-v、-x、-l、-X，各參數示意如下：-h：顯示幫助信息；-V：顯示軟件版本信息；-v：日志文件的詳細程度，v的取值為0～9；-x：輸入配置文件；-l：輸出日志文件；-X：輸出默認的配置文件。在命令行輸入：anubis-X 2>default_config.xml即可得到一個缺省的配置文件，根據處理需要對配置文件進行修改。然后使用xml格式的配置文件來啟動Anubis，在命令行輸入：anubis-x config.xml或anubis

表1 配置文件的組成及功能

1.2 可視化操作

Anubis目前僅具有數據質量檢查功能，處理結果文件的可視化還得借助繪圖腳本。具體步驟為：

1)從http：//www.pecny.cz網站下載perl繪圖腳本；

2)檢查計算機是否安裝了perl編譯工具，若沒有則進行安裝；

3)下載并安裝Chart-Gnuplot源碼包；

4)利用腳本進行繪圖。

以linux系統下的操作為例，簡要說明繪圖命令。顯示繪圖幫助信息的命令是：

perl plot_Anubis.pl --help

若想一次畫出所有的圖形，則可運行命令：

perl plot_Anubis.pl--ifile ANUBIS.xtr-plot=”anubis.png”--all--all--title=”SITE[YEAR：DOY]”(其中ANUBIS.xtr表示Anubis的處理結果文件，SITE、YEAR和DOY分別表示站點名稱、年、年積日。)

也可以根據繪圖命令提示僅畫某一類圖或繪圖時選擇性禁用某些系統的處理數據。此外，繪圖腳本是開源的，可以根據自己的需要適當修改腳本，以得到所需的繪圖結果。

2 多系統數據預處理

2.1 Anubis可靠性驗證

分別用Anubis和TEQC對2015年年積日第36天IGS長春站的GPS觀測數據和武漢站的GLONASS數據進行處理。然后將2種軟件計算的每顆衛(wèi)星多路徑誤差均值的均方根值(root mean square，RMS)作差(Anubis結果減去TEQC結果)，由圖1、圖2(dMP1為L1頻率的多路徑之差，dMP2為L2頻率的多路徑之差)可以看出，2種軟件的處理結果有差異，這是由于Anubis調整了周跳探測、觀測時間窗口等的相關程序[3]，但差值多半小于4 cm。上述結果表明Anubis是可信的。

2.2 Anubis實例應用

基于以上分析，利用Anubis處理MGEX多系統觀測數據。多系統數據為從ftp：//cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/campaign/mgex/daily/rinex3/[9]下載的2015年年積日第365天的brdm3650.15p與jfng站24 h觀測數據，數據采樣間隔為30 s，接收機為TRIMBLE NETR9，天線為TRM59800.00。經處理得到2個結果文JFNG.xtr、JFNG.xml，然后對JFNG.xtr文件進行可視化操作并加以分析。其中xml文件中的總結信息見表2。

表2 JFNG.xtr文件中的總結信息

2.2.1 基于Anubis的單點定位精度分析

由于同時提供了導航文件，Anubis可以進行單點定位計算。圖3中點的位置表示平面定位結果，點狀大小根據幾何精度因子(geometric dilution precision，GDOP)值大小而畫。由圖3、圖4(GLO為GLONASS的簡寫)可知，對于該測站GPS的標準單點定位效果最好，BDS次之，GLONASS精度較差，且3個系統定位結果中東(E)方向精度最高，天頂(U)方向精度最差。其次，BDS的GDOP值較另2個系統稍大。

2.2.2 多路徑效應

由多個路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應被稱為多路徑效應[10-11]。多路徑效應具有時空環(huán)境效應，其大小與測站周邊環(huán)境的好壞有很大的相關性。多路徑誤差的分析結果，有助于接收機性能評估及測站周邊環(huán)境的判斷[8]。多路徑效應對偽距觀測值和載波相位觀測值都有影響，但對前者的影響更大，最大可達碼元寬度的1/2，因此，偽距多路徑誤差為主要考慮對象[12]。

在對多路徑效應進行計算時，Anubis采用了新的通用公式，通過偽距和載波相位觀測值的線性組合可以對所有GNSS系統的雙頻觀測值進行多路徑估計。計算公式[3]為

MPk=Pk-Li-β(Li-Lj)=Pk+αLi+βLj

(1)

(2)

式中：MP是偽距多路徑效應；P是雙頻偽距觀測值；L是雙頻載波相位觀測值；f是頻率；k、i和j是頻率索引。

當k=i=1，j=2時有

(3)

當k=i=2，j=1時有

(4)

當k=5，i=1，j=2時有

(5)

圖5(SBS為SBAS的簡寫，QZS為QZSS的簡寫，GAL為Galileo的簡寫；M1C、M2C、M1I、M5I、M6I、M7I、M1P、M2P、M2W、M1X、M2X、M5X、M7X、M8X分別代表相應偽距觀測值的多路徑誤差)展示了jfng站接收的各種數據的多路徑情況，從圖5中可以看出SBAS M1C對應觀測值的多路徑效應最嚴重，而Galileo M8X的值最小。從圖6(C1C、C2W、C2X、C5X為GPS的偽距觀測值)可以明顯看出衛(wèi)星的多路徑誤差隨時間的變化情況，衛(wèi)星的多路徑誤差圖基本呈現兩頭大中間小的趨勢，與衛(wèi)星升起降落過程中高度角變化情況相對應[7，13]。圖7為GPS C5X觀測值對應衛(wèi)星的高度角隨時間的變化情況。

2.2.3 信噪比

信噪比(signal-noise ratio，SNR)是載波信號強度與噪聲強度的比值，其主要受天線增益參數、接收機中相關器的狀態(tài)和多路徑效應的影響，是反映載波相位觀測質量的指標之一[14]。信噪比的值越大，表明信號越強。從圖8(S1C、S2C、S1I、S5I、S6I、S7I、S1P、S2P、S2W、S1X、S2X、S5X、S7X、S8X為相應相位觀測值的信噪比)可看出jfng站各系統觀測數據的信噪比均值相差無幾，基本在45 dB·Hz左右，表明數據質量較好。衛(wèi)星在升起和降落時，高度角較小，從圖9可以看出各個衛(wèi)星的信噪比圖基本呈現兩頭小中間大的梭形，這表明當衛(wèi)星高度角越大時，接收機接收的數據信噪比越高，其質量越好。

3 惡劣環(huán)境下Anubis多路徑效應分析

此外，利用Anubis對3種類型接收機在高壓線下2個時段的觀測數據進行處理，重點分析在電磁波干擾下的多路徑誤差，以比較不同類型接收機抑制電磁波干擾的能力。其中5號測站與6號測站均位于高壓線正下方且距鐵塔很近，觀測環(huán)境較差。較差觀測環(huán)境更能反映接收機性能，所以本文選取5號測站與6號測站的數據進行分析。數據采集現場及測站的位置分布見圖10、圖11。

圖12～圖15(MP1代表L1頻率下的多路徑誤差、MP2代表L2頻率下的多路徑誤差)為1時段3種接收機觀測的GPS數據L1、L2頻率下多路徑的RMS，圖16～圖19為2時段3種接收機觀測的GPS數據L1、L2頻率下多路徑的RMS。其中3種接收機分別為：華測X900接收機(hc)、南方S86-2013接收機(s86)、南方銀河一號接收機(yh)。綜合圖12～圖15可以看出：南方S86-2013接收機在5、6號測站觀測值的多路徑誤差均值比另2種接收機至少小2 cm；由圖16～圖19可看出：南方S86-2013接收機在5號測站觀測值的多路徑誤差均值比另2種接收機至少小2 cm，在6號測站至少小4 cm。而由圖12～圖19可知南方銀河一號接收機觀測值的多路徑誤差比華測X900稍大，但二者差別不明顯。綜上可得南方S86-2013接收機抑制電磁波干擾的效果比另2種機型略好。

4 結束語

1)分別利用TEQC與Anubis處理IGS參考站單天觀測數據，多路徑誤差結果的差值多半在4 cm以內，表明Anubis是可信的。

2)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、信噪比進行可視化分析。單點定位方面：jfng站GPS觀測值的單點定位精度最高，GLONASS最差。多路徑效應、信噪比：高度角較大時多路徑誤差與信噪比較小，反之較大，與高度角有很大的相關性。

3)分析了3種接收機在電磁波干擾下實測數據的多路徑誤差，結果表明南方s86-2013接收機抑制電磁波干擾的效果最好，而華測X900、南方銀河一號對電磁波干擾的抑制效果稍差。

4)Anubis具有良好的可用性，其生成的結果文件信息豐富全面，可滿足數據預處理需要。

致謝：感謝山東科技大學姜英明和軟件開發(fā)團隊成員Jan DOUSA指點迷津；感謝編輯和審稿專家為本文提出寶貴的修改意見。