三種在線GPS精密單點定位軟件的精度比較①

夏朋飛，蔡昌盛，陳必焰

（中南大學 測繪與國土信息工程系，湖南 長沙410083）

0 引 言

精密單點定位（PPP）是利用非差的雙頻載波相位觀測值和精密衛星軌道以及鐘差數據進行高精度定位的一種單點定位技術［1]。它和差分定位模型是GPS高精度定位的兩種主要模式。與差分定位相比，精密單點定位具有可用觀測值多、測站間無距離限制、操作簡便、數據處理簡單等優點［2]。此外，精密單點定位具備傳統單點定位和差分定位兩者的優點，它可實現以往只能使用差分定位模式才能達到的精度［3]。

為了科學研究與實際應用的方便，國內外一些研究機構開發了精密單點定位數據處理軟件，如：美國JPL的GIPSY軟件和APPS－PPP軟件、瑞士伯爾尼大學研制的BERNESE軟件、德國地學研究中心（GFZ）研制的EPOS軟件、加拿大國有資源局的CSRS－PPP和加拿大新不倫瑞克大學的GAPS－PPP軟件、武漢大學的PANDA 和 TRIP軟件等。這些軟件均包括了精密單點定位技術數據處理功能［4]。其中，加拿大的CSRS－PPP、GAPS－PPP和美國的APPS－PPP三種軟件可為用戶提供免費的在線服務，而這三種在線軟件精度如何是精密單點定位用戶普遍關心的問題。通過處理多個IGS跟蹤站的數據對這三種精密單點定位軟件進行了精度評估。

根據太陽11年的活動周期可知，太陽活動高峰年即將來臨，而在高峰年易爆發太陽耀斑。太陽耀斑的爆發會引起強烈的磁暴，使得GPS接收機信號質量降低，進而對GPS觀測數據的質量產生影響［5]。由于精密單點定位通過電離層觀測值組合僅能消除電離層誤差一階項的影響，在太陽活動活躍期殘留的高階電離層誤差是否會影響精密單點定位的精度，也是需要探討的問題。

1 三種在線精密單點定位軟件

APPS－PPP、CSRS－PPP和 GAPS－PPP這三種PPP在線處理軟件，可以通過在線PPP服務網站［6]進入。

APPS－PPP軟件是由美國噴氣推進實驗室研制的一種在線單點定位處理軟件。該軟件支持RINEX 2.0和RINEX2.11兩種輸入文件，但是文件的大小不能超過5MB，否則該軟件不能進行處理。用戶只需要直接提交觀測文件，軟件就能在線處理。APPS－PPP軟件對觀測文件處理的比較快，處理后的結果可以直接從該服務網站上下載，該結果包括了估計的直角坐標和大地坐標等信息［7]。

CSRS－PPP軟件是由加拿大國有資源局下屬的大地測量部門提供的GPS在線單點定位服務軟件。CSRS－PPP軟件在使用前需要注冊，其用戶名為用戶的郵箱地址，密碼任意設置。申請用戶名通過后，可以進入該軟件進行數據處理，該軟件可以處理靜態和動態的數據，并且有NAD83（CSRS）和ITRF兩種參考系供選擇。該軟件的處理結果會發送到郵箱，反饋給用戶的有詳細的坐標解及精度、接收機鐘差估計信息、對流層延遲、整周模糊度等信息［7－8]。

GAPS－PPP軟件是由加拿大新不倫瑞克大學提供、僅僅以研究為目的的在線單點定位服務軟件，該軟件不需要注冊，用戶只需要提交RINEX格式數據或其壓縮形式的靜態或動態觀測數據文件。用戶需要輸入自己的郵箱地址并進行提交。處理的結果將發送到用戶的郵箱。該在線處理軟件能為用戶提供該點的大地坐標、整周模糊度、測站鐘估值、衛星的載波相位殘差以及偽距殘差等信息［7]。

2 數據處理及分析

選擇不同緯度地區的IGS測站、不同級別的太陽耀斑的觀測數據分別通過三種軟件進行試算，以評價三種在線軟件的處理精度。

2.1 使用不同緯度區域的IGS站觀測數據

不同緯度地區將受到不同的電離層延遲、對流層延遲、地球自轉及地球固體潮誤差的影響，而這些誤差將會影響精密單點定位的結果。為了測試三種在線PPP軟件，選取全球IGS站上不同地區的一些測站數據分別通過三種軟件進行試算。選取的不同區域的IGS測站位置如圖1所示。所采用的測站在圖1中給出了測站名。通過在IGS網站上下載所選測站的一天的數據分別通過三種在線軟件進行試算，然后將這三種精密單點定位軟件計算的定位結果與IGS提供的測站精密坐標進行比較以獲得定位誤差，其結果如圖2所示。

圖1 所選取的不同區域的IGS測站

圖2 三種在線軟件處理不同區域IGS測站數據的結果

由圖2可以看出，APPS－PPP軟件、GAPSPPP軟件和CSRS－PPP軟件得到的精密單點定位的結果，其誤差在三個坐標方向上都在±5cm之內，少數測站在某坐標方向上誤差超過了5cm，從CSRS－PPP軟件的結果圖中可以更明顯的看出。對三種在線處理軟件的定位誤差結果進行了統計計算獲得了E、N、U三個方向上的中誤差值，如表1所示。

表1 三種軟件計算的中誤差

由表1可以看出，三種在線軟件計算的結果在E方向的最大誤差不超過3.5cm，N方向的最大誤差也是不超過3cm，U方向的最大誤差不超過2 cm.三種軟件在E、N、U三個方向的計算結果互差不超過1.5cm.CSRS軟件的處理結果相對于APPS與GAPS軟件的處理結果較差，但是由圖2可以看出，大部分情況下，CSRS軟件處理的結果都是比較理想的，只有個別測站，處理的結果不是很好。故可知對于大部分的測站，三種在線軟件的處理結果的精度很接近，但是只在個別的測站上，GSRS軟件處理能力不及APPS軟件和GAPS軟件。

2.2 使用太陽耀斑期間的觀測數據

太陽耀斑引起強磁暴，對地球空間環境造成很大的影響。由于強磁暴的發生，會導致電離層的電子密度增加，無線電信號的延遲也會隨著發生改變［9]，因此，電離層磁暴會造成GPS更大的測距誤差并影響觀測數據的質量［10]。在進行精密單點定位時，通過雙頻觀測數據間的消電離層組合消除了電離層一階誤差［11]，但由于太陽耀斑期間殘留的電離層高階誤差會增加，為了分析其對精密單點定位產生影響，我們選擇了不同級別的太陽耀斑發生時的GPS觀測數據分別利用該三種在線軟件進行試算。表2中列出了2000年到2006年期間發生的不同等級的太陽耀斑的時間、發生耀斑的經緯度以及地磁Kp的日平均值。

表2 選擇的不同等級的太陽耀斑

根據表2中太陽耀斑發生的日期，從IGS中心FTP服務器上下載符合上述日期并于日面經緯度靠近的IGS測站的GPS觀測數據（24小時），分別利用三種在線軟件進行試算，將計算的坐標值與IGS提供的參考坐標作差并轉換至測站坐標E、N、U方向，其獲得的誤差結果由圖3所示。

圖3 不同等級太陽耀斑下三種在線PPP軟件的試算結果

圖3中，橫軸的序列是按照表2中日期的順序而排列的。可以看出，在太陽耀斑期間，APPSPPP 、CSRS－PPP和 GAPS－PPP軟件單天解的定位誤差在E、N、U方向上均小于5cm，除了數據序列2在N方向上的位置誤差。根據三種軟件計算的結果分別計算出E、N、U方向的中誤差，如表3所示。

表3 三種軟件計算的中誤差

根據中誤差計算的結果，可以看出，三種軟件計算的單點定位的精度在E方向的中誤差不超過2cm，在N方向不超過2cm，在U方向不超過3.5 cm.三種軟件在E、N方向的中誤差的互差小于1 cm，而在U方向上三種軟件的中誤差互差小于1.5cm.

需要說明的是：三種PPP在線處理軟件的解算結果是在ITRF框架下的三維坐標，如果用戶需要的是地方（局部）平面和高程坐標系統中的坐標，需要由在線軟件得到的結果再進行坐標轉換得到用戶所需要的坐標。

在GPS數據處理過程中，有些數據由于外界的因素（如太陽耀斑）的影響，使得觀測數據可能存在大量周跳甚至存在粗差。根據大量測試計算，發現CSRS－PPP和APPS－PPP軟件具有很好的預處理功能。而GAPS－PPP軟件處理效果在一定程度上依賴于觀測數據的質量。如在處理太陽耀斑期間2000年11月25號ROGE測站的數據時，用CSRS－PPP、APPS－PPP兩種軟件都能達到cm 級的定位精度，而用GAPS－PPP軟件計算出來的位置坐標X、Y、Z三個方向的值與參考坐標之差分別達到了－1.635m、－2.949m 和2.494m.因此，對于GAPS－PPP軟件在數據處理前，必須認真仔細地做好數據的編輯和質量檢核工作，來剔除掉不好的數據。

3 結 論

通過對不同觀測條件下的GPS觀測數據采用三種 在 線 PPP 軟 件 APPS－PPP、CSRS－PPP 和GAPS－PPP進行處理可知，三種軟件在處理精度上具有一致性，在單個坐標方向上最大互差不超過1.6cm.三種軟件單天解精度在三個坐標方向上均優于3.5cm.利用太陽耀斑期間的數據計算表明，精密單點定位精度并沒有受到明顯的影響，這主要是由于精密單點定位采用了消電離層組合的觀測模型，而殘留的高階電離層誤差對精密單點定位精度的影響不顯著。三種在線處理軟件都能處理動態數據，動態精密單點定位精度的評估將是下一步需要研究的內容。

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