岳金廣

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安)

引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國(guó)自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼GPS、GLONASS 之后第三個(gè)成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和美國(guó)GPS、俄羅斯 GLONASS、歐盟 GALILEO，是聯(lián)合國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)認(rèn)定的四家衛(wèi)星定位服務(wù)供應(yīng)商。北斗系統(tǒng)不僅具有定位與導(dǎo)航、授時(shí)（PNT）功能，還具備獨(dú)特的短報(bào)文通信功能，使得一問世就引起了巨大的關(guān)注[1]。

北斗的應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)在眾多產(chǎn)業(yè)升級(jí)之中，智能汽車、高速鐵路、能源開發(fā)、智慧物流、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的頭部企業(yè)，已經(jīng)主動(dòng)融入北斗的發(fā)展，拓展了企業(yè)發(fā)展的新模式，進(jìn)而促進(jìn)了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的極大發(fā)展[2]。

實(shí)現(xiàn)北斗/GNSS 廣泛應(yīng)用的前提是能夠獲取高質(zhì)量的觀測(cè)值數(shù)據(jù)，而這就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。目前，通用的數(shù)據(jù)預(yù)處理/質(zhì)量分析軟件是TEQC ( Translation , Editing and Quality Checking)[3]，通過命令行操作，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)值文件的編輯和可視化操作。但由于TEQC 軟件已停止更新，最新版本不能兼容RINEX3.0x 之后的版本, 也不能很好的兼容BDS-3 系統(tǒng)的新頻點(diǎn)，基于上述原因，本文引入Anubis 處理北斗/GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過實(shí)際案例分析數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、信噪比等數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)，得出一些有用的結(jié)論。

1 Anubis 使用簡(jiǎn)介

Anubis 是由捷克國(guó)家大地測(cè)量、地形與地圖制圖研究所開發(fā)的一個(gè)GNSS 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS、GLONASS、伽利略、北斗、SBAS、QZSS、IRNSS等衛(wèi)星系統(tǒng)的觀測(cè)值進(jìn)行質(zhì)量檢核和分析，并將檢核和分析結(jié)果繪制成圖。Anubis 是開源免費(fèi)軟件，最新版本是3.6，軟件提供了包括Windows、Linux、macOS等多種操作系統(tǒng)的版本。和TEQC 軟件類似，該軟件可以通過命令行運(yùn)行[4]。

軟件的使用方法如下，首先在軟件官網(wǎng)下載適配于系統(tǒng)的程序文件。此處以Linux 系統(tǒng)為例，下載的文件為：anubis-3.6-lin-static-64b。將下載后的程序文件名改為“Anubis.exe”。進(jìn)入程序所在目錄，打開終端，執(zhí)行anubis 命令即可使用該程序。

Anubis 使用可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）格式定義配置文件名的參數(shù)，下面的命令可以輸出一個(gè)包含默認(rèn)項(xiàng)的配置文件：

anubis -X 2>anubis_defaults.xml

配置文件的主要參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 配置文件主要參數(shù)

文件配置完成后，使用配置文件啟動(dòng)Anubis 軟件，在終端輸入

anubis -x config.xml -l process.log上面的命令是從當(dāng)前目錄的config.xml 文件加載配置信息，然后進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理日志將記錄在process.log 文件中。程序執(zhí)行成功后，一般會(huì)生成三個(gè)結(jié)果文件，其中*.log 文件是日志文件；*.xml 文件存儲(chǔ)處理結(jié)果的簡(jiǎn)要信息；*.xtr 文件存儲(chǔ)處理結(jié)果的詳細(xì)信息。安裝繪圖腳本后可使用*.xtr 文件實(shí)現(xiàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的可視化。具體操作如下：在結(jié)果文件目錄下，啟動(dòng)終端，輸入

SITE 表示處理的測(cè)站名稱，YEAR 表示年份，DOY 表示文件數(shù)據(jù)采集日期對(duì)應(yīng)的年積日。

2 案例分析

基于上述操作，現(xiàn)在使用Anubis 處理北斗/GNSS多系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，案例觀測(cè)值數(shù)據(jù)來自某工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間為2023 年2 月23 日，持續(xù)時(shí)間24 h，采樣間隔為15 s，站點(diǎn)名稱命名為TEST。經(jīng)過處理得到兩個(gè)結(jié)果文件，TEST.xml 和TEST.xtr。

2.1 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率是表征接收機(jī)性能及衛(wèi)星系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，數(shù)據(jù)完整率是首先需要考慮的指標(biāo)。它能夠反映接收機(jī)在采集數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)丟失的情況。如圖1 所示，在觀測(cè)文件的某一數(shù)據(jù)塊中，由于某種原因，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，其中標(biāo)紅位置是出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的地方。

圖1 數(shù)據(jù)缺失情況

在處理過程中，Anubis 首先讀取觀測(cè)文件中頭文件的觀測(cè)值類型、間隔和采樣時(shí)間計(jì)算出當(dāng)前觀測(cè)值文件中理論上的觀測(cè)值數(shù)量，然后統(tǒng)計(jì)出觀測(cè)值的實(shí)際數(shù)量，兩者的比值即為該觀測(cè)值文件的數(shù)據(jù)完整率。該指標(biāo)的計(jì)算公式如下所示：

其中，Intergrity為數(shù)據(jù)完整率，Obs_r為實(shí)際觀測(cè)值數(shù)量，Obs_t為理論觀測(cè)值數(shù)量。表2 為四個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)表。

表2 數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)表

從表2 可知，Exp>15 為截止高度角大于15°時(shí)的理論觀測(cè)值數(shù)量，Hav>15 為觀測(cè)文件中實(shí)際存在的觀測(cè)值數(shù)量。四個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)相比，BDS 和GPS 數(shù)據(jù)完整率最高，Galieo 稍低，GLONASS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整率最低。

2.2 多路徑效應(yīng)

信號(hào)從多個(gè)路徑傳播至接收機(jī)處引起的干涉延遲效應(yīng)稱之為多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)與測(cè)站周邊的環(huán)境密切相關(guān)，通過多路徑效應(yīng)這一指標(biāo)能夠評(píng)估接收機(jī)質(zhì)量以及測(cè)站周邊環(huán)境的優(yōu)劣。圖2 是多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的示意圖。

圖2 多路徑誤差信號(hào)的產(chǎn)生

多徑效應(yīng)影響了GNSS 基本的觀測(cè)量，即偽距和載波相位，但前者的影響要更大，并且在接收機(jī)類型之間變化較大。

Anubis 在計(jì)算多路徑誤差時(shí)采用了一個(gè)新的計(jì)算公式，該公式將偽距和載波相位進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有頻點(diǎn)的偽距多路徑的計(jì)算。

計(jì)算公式如下[5]

圖3（M1C、M2W、M5Q、M1C、M2C、M1P、M2I、M5P、M6I、M7I 分別代表不同衛(wèi)星系統(tǒng)，不同頻點(diǎn)的偽距多路徑誤差，從圖3 中可以看出BDS M5P 對(duì)應(yīng)觀測(cè)值的多路徑誤差最大，BDS M7I 對(duì)應(yīng)的值最小。

圖3 各系統(tǒng)觀測(cè)值多路徑誤差統(tǒng)計(jì)

2.3 信噪比

信噪比（signal-noise ratio,SNR）時(shí)指衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境噪聲強(qiáng)度的比值[6]，其主要和接收機(jī)天線、接收機(jī)狀態(tài)以及多路徑效應(yīng)有關(guān)，是反映載波相位觀測(cè)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。信噪比越大則代表信號(hào)強(qiáng)度越高。

從圖4（S1C、S2W、S5Q、S1I、S2C、S1C、S5Q、S7Q、S1PW、S2I、S5P、S6I、S7I 為相應(yīng)相位觀測(cè)值的信噪比）可看出測(cè)站四個(gè)系統(tǒng)中，觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比相差不大，基本均處于45 dBHz 左右,數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

圖4 各系統(tǒng)觀測(cè)值信噪比統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

本文提出了一種新的北斗/GNSS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的方法來彌補(bǔ)TEQC 軟件的不足之處。通過引入Anubis 這一軟件，簡(jiǎn)要介紹了軟件的使用方法。然后通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)以及信噪比三個(gè)重要的指標(biāo)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，Anubis 軟件能夠很好地兼容四大衛(wèi)星系統(tǒng)（GPS、GLONASS、Galieo、BDS）及各頻點(diǎn)。通過計(jì)算表明，在數(shù)據(jù)完整率方面，BDS 和GPS 數(shù)據(jù)完整率最高，Galieo稍低，GLONASS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整率最低。在多路徑方面BDS M5P 對(duì)應(yīng)觀測(cè)值的多路徑效應(yīng)最嚴(yán)重，BDS M7I對(duì)應(yīng)的值最小。在信噪比方面，各系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，穩(wěn)定在45 dBHz 左右。