GNSS数据质量的可视化表达与分析.pdf

第 11 卷 第 3 期 导航定位学报 Vol.11，No.3 2023 年 6 月 Journal of Navigation and Positioning Jun.，2023 引文格式：张宁,何正斌,赵春梅,等.GNSS 数据质量的可视化表达与分析J.导航定位学报,2023,11(3):171-178.（ZHANG Ning,HE Zhengbin,ZHAO Chunmei,et al.Visual expression and analysis of GNSS data qualityJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(3):171-178.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230323.GNSS 数据质量的可视化表达与分析 张 宁1,2，何正斌1，赵春梅1，张浩越1,2（1.中国测绘科学研究院 北京房山人卫激光国家野外科学观测研究站，北京 100036；2.辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000）摘要：针对目前全球卫星导航系统（GNSS）数据质量检核软件中存在着交互性差、可视化功能薄弱等问题，提出一种 GNSS 数据质量的可视化表达与分析方法：基于阿努比斯（Anubis）软件进行二次开发，依托派森（Python）平台，研制一款集数据质量检核、可视化与分析于一体的质检可视化分析软件（QCVA）。测试结果表明，提出的方法能直观地反映出不同测站中卫星在不同时刻的伪距多路径效应、信噪比，以及周跳比等质量检核指标的情况，解决含有北斗三号（BDS-3）新频点观测数据质量检核结果的可视化问题,实现批量数据质量检核，并自动生成 GNSS 观测数据质检分析报告。关键词：数据质量分析；可视化界面；质检报告 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)03-0171-08 Visual expression and analysis of GNSS data quality ZHANG Ning1,2,HE Zhengbin1,ZHAO Chunmei1,ZHANG Haoyue1,2（1.Beijing Fangshan Satellite Laser Ranging National Observation and Research Station,Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100036,China;2.School of Geomatics,Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning 123000,China）Abstract：Aiming at the problems of poor interactivity and weak visualization function in the data quality verification software of global satellite navigation system(GNSS),the paper proposed a visual expression and analysis method of GNSS data quality:a quality inspection visualization analysis(QCVA)software integrating data quality verification,visualization and analysis was developed based on the secondary development of Anubis software and the Python platform.Test result showed that the proposed method could intuitively reflect the pseudo-range multipath effect,signal-to-noise ratio,cycle slip ratio and other quality check indicators of satellites in different stations at different times,solve the visualization of the quality check results of new frequency observation data of BeiDou-3 navigation satellite system(BDS-3),realize the batch data quality check,and automatically generate the quality check analysis report of GNSS observation data.Keywords:data quality analysis;visual interface;quality inspection report 0 引言 随着北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）的完善，全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）有了更进一步的发展。GNSS 观测数据有向着多系统、多频点方向发展的趋势，同时接收机自主交换格式（receiver independent exchange format，RINEX）正向着更高的版本进行发展与过渡1-3。此外，由于不同卫星的健康状况以及地面接收机的性能、收稿日期：2022-06-06 基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFB0505801，2020YFB0505802）；国家自然科学基金项目（42174033）。第一作者简介：张宁（1996），男，辽宁阜新人，硕士研究生，研究方向为 GNSS 数据处理。通信作者简介：何正斌（1982），男，新疆沙湾人，博士，副研究员，研究方向为大地测量数据处理。172 导航定位学报 2023 年 6 月 所处环境不同，严重影响了后期观测数据的解算精度；因此，在 GNSS 观测数据使用前，对其各系统各频点的数据进行质量检核尤为重要4。目前，常用的卫星数据质量检核软件中，数据格式转换、元数据编辑及数据质量检查（translation,editing and quality checking,TEQC）软件仅能检核全球定位系统（global positioning system，GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system，GLONASS）的观测数据，无法处理 BDS、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system，Galileo）的观测数据，且不支持高版本的RINEX 数据格式，代码不开源，交互性较差，其可视化需借助第三方软件实现，这样就降低了用户的操作效率5。布恩茨（Bruckmannn&Kreyenborg Granuliertechnik GmbH Ntrip Client，BNC）软件多应用于单点定位，较少应用于数据质量检核6-7。相比 TEQC 和 BNC，阿努比斯（Anubis）软件能够处理多系统多频点的观测数据，且有支持高版本 RINEX 格式的优点8。其程序代码开源，可在此基础上进行二次开发；但 Anubis 也存在着交互性差、可视化功能薄弱的问题，须借助第三方脚本才能实现可视化表达。此外，随着 BDS 的发展，第三方脚本已无法满足对 BDS 新频点观测数据的质量结果的可视化表达。所以，为了实现对多系统观测数据的质量检核、可视化与分析，许多学者进行了相关的研究。文献9利用矩阵实验室（matrix laboratory，MATLAB）对 TEQC 进行二次开发，实现了其可视化处理分析功能，丰富了图形的展示。文献10运用 C 语言开发了数据质量检核（quality control，QC）软件。文献11利用派森（Python）语言开发了 TEQC 可视化软件（TEQC Plot of Python，TPP）。相较于 MATLAB、C 语言等，Python 具有开发效率高、代码简洁、易于更新维护的特点。鉴于此，本文基于 Python 语言对 Anubis 数据质量检核软件进行可视化软件设计，并结合实验数据对编写的软件性能进行测试，实现其在视窗（Windows）操作系统上的使用以及批量处理观测数据及分析功能。1 Anubis 及 GNSS 数据质量检核指标 1.1 Anubis 介绍 由捷克国家大地测量、地形与地图制图研究所研发的GNSS数据预处理软件Anubis，能够对GPS、GLONASS、Galileo、BDS 等多个卫星系统的观测数据进行质量检核和分析，且支持多个 RINEX 版本格式的数据。该软件的主要功能包括统计观测值的可用频带、探测周跳及钟跳、估计伪距多路径效应、信噪比计算等，若提供导航数据则可实现标准单点定位、方位角和高度角计算等8。而目前，Anubis 软件仅可在利努克斯（Linux）操作系统上免费开源。在实际应用中，通过使用设定好的配置文件，一次即可对多种 RINEX 格式的文件完成并行预处理运算，从而可以简化数据处理过程，提高效率。Anubis 最新免费版为 2.3 版本（以下简称 Anubis2.3）。其质量检核命令为 anubis-x config.xml。其中，config.xml 为 Anubis 软件的配置文件，在其中可以设置数据样间隔、卫星系统、高度角、数据质量检查的详细级别、输入输出等内容。1.2 GNSS 质量检核指标 本文以多路径效应、数据完整率、信噪比、周跳比等作为 GNSS 质量检核的指标。1.2.1 多路径效应 在卫星信号的传播过程中，测站附近的物体会对卫星信号造成一定的反射与折射，导致产生一种合成信号，当此种信号进入接收机，就可能与直接来自卫星的信号发生干涉，从而出现一种延迟现象12-13。这种因多个传播路径的信号所导致的干涉时延效应被称作多路径效应。多路径效应能够有利于评估接收机的性能以及反映测站的周边环境，是衡量 GNSS 观测数据质量的重要指标之一。其对伪距观测值和载波相位观测值都有影响，但对前者的影响要远大于后者，因此载波相位观测值的多路径影响通常可以忽略不计8。Anubis 数据质量检核软件利用伪距和载波相位观测值的线性组合，实现所有 GNSS 系统双观测值间的多路径估计4,14-15，即 ()kkiijkijMPL LLPLL=+（1）222222jjiikk222222ijijkkffffff,ffffff+=（2）式中：kM为伪距多路径效应；P为双频伪距观测值；L为双频载波相位观测值；f为频率；下标中k、i和j为频率索引。kM值越大代表抗多路径效应能力越弱。1.2.2 数据完整率 由于外界环境瞬息万变、GNSS 数据接收机的性能也各不相同，这些因素都有可能造成数据信号的缺失或数据信号的解析校验不合格，从而导 第 3 期 张 宁，等.GNSS 数据质量的可视化表达与分析 173 致观测数据文件中的信息缺失，影响观测数据的质量4,8。因此，需要利用数据完整率对观测数据的完好性进行评价，其定义为在一段时间内实际观测历元数与理论观测历元数的比值。完整率ratioT的计算公式为 ratio/100%TH E=（3）式中：H为实际历元数；E为理论历元数。ratioT的值越大，表明数据质量越好，一般要求不低于85%16。1.2.3 信噪比 信噪比（signal-noise ratio，SNR）是反映卫星观测数据质量的重要指标之一，通常表示为载波信号强度与噪声强度的比值，单位为 dBHz，影响其大小的主要因素有：卫星发射