GNSS在線PPP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)性能分析

周要宗，匡翠林，劉紫平，何芮瑤

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083；2.湖南省測繪科技研究所，長沙 410007)

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)高精度數(shù)據(jù)處理需高精度數(shù)據(jù)處理軟件作支撐。常用的高精度數(shù)據(jù)處理軟件BERNESE、GAMIT、EPOS、GIPSY、NAPEOS和PANDA等需引入多項改正[1]，操作難度大，要求數(shù)據(jù)處理人員掌握扎實(shí)的專業(yè)知識，這使得GNSS高精度數(shù)據(jù)處理在科研領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而工程領(lǐng)域望而卻步。隨著計算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展[2]，信息和成果共享越來越方便，GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是互聯(lián)網(wǎng)+高精度數(shù)據(jù)處理的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)打破了高精度數(shù)據(jù)處理軟件對高精度數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的限制。GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)只需用戶通過WEB頁面或文件傳輸協(xié)議(file transfer protocol，F(xiàn)TP)服務(wù)器上傳待解算觀測文件，系統(tǒng)后臺會自動進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)處理，并通過E-mail將解算結(jié)果發(fā)送到用戶郵箱，操作簡單、方便快捷[3]。國外已經(jīng)有多個較成熟的GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以按照數(shù)據(jù)處理模式的不同對其進(jìn)行歸類，結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)有GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)歸類[4-6]

已有不少學(xué)者對GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可操作性、適宜條件及數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度和可靠性進(jìn)行了分析[7-9]。近些年隨著GNSS高精度數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，各GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)都有不同程度的升級，定位性能顯著提高[10]；有必要重新評估現(xiàn)有GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的性能。

本文選取18個全球均勻分布的國際GNSS服務(wù)(International GNSS Service，IGS)站的GNSS觀測數(shù)據(jù)，對4個常用的GNSS在線精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)APPS、CSRS-PPP、GAPS和magicGNSS的性能進(jìn)行評估。

1 4個GNSS在線PPP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

目前國內(nèi)外常用的GNSS在線PPP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要有4個，分別是APPS、CSRS-PPP、GAPS和magicGNSS。這4個系統(tǒng)都可免費(fèi)向全球用戶提供動靜態(tài)位置服務(wù)，具體每個系統(tǒng)的概況和特點(diǎn)如下[11-14]：

自動精密定位服務(wù)(automatic precise positioning service，APPS)是由美國噴氣動力實(shí)驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)開發(fā)的一個全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)在線PPP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)后臺軟件平臺為GIPSY 6.4，采用JPL提供的一些國際最先進(jìn)的GPS定位技術(shù)，支持RINEX2、RINEX2.11輸入文件和GIPSY TDP文件，可對GPS接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時或事后高精度動態(tài)或靜態(tài)定位。APPS系統(tǒng)對用戶注冊無明確要求，注冊用戶可進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)定位，未注冊用戶只能進(jìn)行靜態(tài)定位。APPS系統(tǒng)允許用戶通過WEB界面、E-mail或FTP服務(wù)器上傳采樣率低于1 s的觀測文件，解算結(jié)果包括國際地球參考框架(international terrestrial reference frame，ITRF)2008坐標(biāo)文件、GIPSY解算文件和其他輔助文件。

加拿大空間參考PPP系統(tǒng)(Canadian spatial reference system-PPP，CSRS-PPP)是加拿大國有資源部大地測量司提供的GNSS在線PPP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，目前支持雙衛(wèi)星系統(tǒng)和單雙頻數(shù)據(jù)處理，可處理GPS和俄羅斯格洛納斯(global navigation satellite system，GLONASS)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)后臺軟件平臺為CSRS-PPP V1.05，要求用戶注冊，對RINEX文件版本無明確限制，用戶只須提交RINEX文件或其壓縮格式文件，選擇數(shù)據(jù)處理方式和坐標(biāo)參考框架，提供E-mail地址即可，系統(tǒng)會自動把解算結(jié)果反饋給用戶。系統(tǒng)解算結(jié)果包括北美基準(zhǔn)(North American datum，NAD)1983或ITRF坐標(biāo)及精度、整周模糊度、接收機(jī)鐘差估計信息、對流層延遲和載波相位殘差信息等。

GPS分析與定位軟件(GPS analysis and positioning software，GAPS)是由加拿大新伯倫瑞克大學(xué)研發(fā)的1個GNSS在線PPP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，目前支持3個衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，這些GNSS系統(tǒng)包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)、GPS及伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)。該系統(tǒng)后臺軟件平臺為GAPS V6.0.0，無需用戶注冊，支持REINEX2和REINEX3格式觀測文件，定位解算結(jié)果參考框架可在ITRF和歐洲地球參考框架(European terrestrial reference frame，ETRF)之間選擇。除定位服務(wù)外，該系統(tǒng)也可為用戶提供電離層延遲、接收機(jī)鐘差、多路徑誤差等方面的服務(wù)。

magic精密單點(diǎn)定位解算服務(wù)(magic precise point positioning solution，magicGNSS)是由西班牙GMV公司維護(hù)的一個GNSS在線PPP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，目前支持GPS、GLONASS及Galileo系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)后臺軟件平臺為NAPEOS，需用戶注冊，支持RINEX2和RINEX3格式觀測數(shù)據(jù)，用戶需通過E-mail上傳解算文件，解算結(jié)果包括ITRF08坐標(biāo)、天頂對流層延遲(zenith tropospheric delays，ZTD)、接收機(jī)鐘差和載波相位殘差信息等。

2 在線PPP系統(tǒng)動態(tài)定位精度評估

選取湖北武漢JFNG站2017年年積日第90天、采樣率為30 s的GNSS觀測數(shù)據(jù)，分別提交至APPS、CSRS-PPP、GAPS和magicGNSS系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)定位解算，得到各系統(tǒng)JFNG站三維坐標(biāo)時間序列。為更直觀地表達(dá)結(jié)果，將各系統(tǒng)解算坐標(biāo)與IGS參考值求差，并將差值轉(zhuǎn)換至N(北)、E(東)、U(高程)方向進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1和表2所示。圖1中，APPS和magicGNSS系統(tǒng)解算間隔為300 s，CSRS-PPP和GAPS系統(tǒng)解算間隔為30 s；APPS系統(tǒng)要求待上傳觀測文件小于10 MB，因此只上傳了22 h的觀測文件；GAPS系統(tǒng)動態(tài)定位有明顯收斂時間，收斂時間約為40 min，其他3個系統(tǒng)采用前后雙向濾波算法，沒有明顯收斂時間，GAPS系統(tǒng)動態(tài)定位結(jié)果均方根(root mean square，RMS)指的是收斂后計算得到的RMS。

表2 4個在線PPP系統(tǒng)動態(tài)定位偏差RMS對比 cm

圖1 4個在線PPP系統(tǒng)動態(tài)定位偏差對比

由圖1和表2可知，4個在線PPP系統(tǒng)動態(tài)定位偏差在厘米量級，N方向和E方向偏差明顯小于U方向。4個在線PPP系統(tǒng)動態(tài)定位偏差有所不同，CSRS-PPP系統(tǒng)N方向定位偏差RMS最小，約為0.89 cm；APPS系統(tǒng)E方向定位偏差RMS最小，約為1.03 cm；GAPS系統(tǒng)U方向定位偏差RMS最小，約為2.37 cm。

3 在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位性能分析

3.1 時段長度對4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位的影響

利用GFZRNX軟件將JFNG站2017年年積日第90天的GNSS數(shù)據(jù)分割成1、2、…、24 h的時段觀測數(shù)據(jù)，分別上傳至4個在線PPP系統(tǒng)進(jìn)行解算，以分析時段長度對4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位的影響，得到如圖2所示的結(jié)果。圖2中，APPS系統(tǒng)所上傳時段觀測數(shù)據(jù)的最大時段長度為22 h。

圖2 時段長度對4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位影響的對比

由圖2可知：時段長度從0增加到2 h時，4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位偏差均明顯變?。粫r段長度大于2 h后，4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位偏差逐漸趨于穩(wěn)定；尤其當(dāng)時段長度大于等于12 h后，4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位偏差幾乎保持不變，N方向約為0～2 cm，E方向約為0～1.5 cm，U方向最差，約為0～3.5 cm。同時，各PPP在線系統(tǒng)靜態(tài)定位偏差之間存在差異性，APPS和CSRS-PPP系統(tǒng)N方向定位偏差相對較小，約為0～1 cm；APPS和magicGNSS系統(tǒng)E方向定位偏差相對較小，約為0～1 cm；CSRS-PPP和GAPS系統(tǒng)U方向定位偏差相對較小，約為0～1.5 cm。

3.2 4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位結(jié)果對比

選取18個全球均勻分布IGS站點(diǎn)2017年年積日第90天的GNSS數(shù)據(jù)，并從IGS獲取各站點(diǎn)坐標(biāo)參考值，所選站點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 實(shí)驗數(shù)據(jù)站點(diǎn)分布

圖3中橫軸表示經(jīng)度，縱軸表示緯度。用GFZRNX軟件將各站點(diǎn)單天數(shù)據(jù)切分成前12 和后12 h 2段，分別提交各選定站點(diǎn)前12和后12 h數(shù)據(jù)至4個在線PPP系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)定位解算，得到各在線系統(tǒng)前、后12 h靜態(tài)定位解算坐標(biāo)。通過比較前12 h解算坐標(biāo)與坐標(biāo)參考值之差來分析4個PPP在線系統(tǒng)靜態(tài)定位的精度，分析結(jié)果如圖4所示。通過對比前、后12 h解算坐標(biāo)之差來評估4個PPP在線系統(tǒng)靜態(tài)定位的穩(wěn)定性，對比結(jié)果如圖5所示。

圖4中，測站點(diǎn)填充顏色表示4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位U方向偏差的大小，箭頭長度代表N、E方向偏差大小，每幅子圖左下角3個箭頭分別表示N、E方向偏差為15、10和5 mm，可以依此確定各測站N、E方向偏差的具體數(shù)值。圖4結(jié)果表明，不同在線系統(tǒng)、不同測站的靜態(tài)定位結(jié)果存在明顯差異，CSRS-PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位N、E方向偏差最小，APPS系統(tǒng)靜態(tài)定位U方向偏差最小，GAPS和magicGNSS系統(tǒng)靜態(tài)定位偏差相對較大。APPS系統(tǒng)所有站點(diǎn)靜態(tài)定位N、E方向偏差小于2，U方向偏差小于1.5 cm，整體靜態(tài)定位結(jié)果最好；CSRS-PPP系統(tǒng)所有站點(diǎn)靜態(tài)定位N、E方向偏差小于1.5，絕大多數(shù)測站(除SCTB站)U方向偏差小于2 cm，整體靜態(tài)定位結(jié)果稍次于APPS；GAPS系統(tǒng)靜態(tài)定位偏差與測站地理緯度相關(guān)，近極地或極地區(qū)域測站(YEL2、METG、TIXI、SYOG、SCTB)定位偏差相對較大，N、E方向最大超過8，U方向最大可達(dá)5.6 cm，而中低緯度區(qū)域測站定位偏差相對較小，N、E方向小于2，U方向小于3 cm；magicGNSS系統(tǒng)多數(shù)測站靜態(tài)定位偏差偏大，N、E方向約為1～3，U方向約為1～4 cm，整體靜態(tài)定位結(jié)果相對較差。

圖4 4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位結(jié)果比較

圖5 4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位穩(wěn)定性比較

圖5結(jié)果表明，不同在線系統(tǒng)、不同測站靜態(tài)定位穩(wěn)定性有所不同。CSRS-PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位穩(wěn)定性偏差最小，約為0～2 cm；APPS系統(tǒng)靜態(tài)定位穩(wěn)定性偏差次之，大小約為0～3 cm；magicGNSS系統(tǒng)靜態(tài)定位穩(wěn)定性偏差較大，最大可達(dá)4.5 cm；GAPS系統(tǒng)靜態(tài)定位穩(wěn)定性偏差最大，達(dá)到12 cm。同樣值得注意的是，GAPS系統(tǒng)METG、SYOG、TIXI及YEL2站的靜態(tài)定位穩(wěn)定性偏差比其他測站明顯偏大，而這4個測站都位于極地或近極地區(qū)域。

4 結(jié)束語

本文介紹了4個常用GNSS在線PPP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)，并通過JFNG站動態(tài)定位數(shù)據(jù)處理，分析了4個PPP在線系統(tǒng)動態(tài)定位的精度，最后通過對比處理18個IGS站點(diǎn)的GNSS數(shù)據(jù)詳細(xì)探討了4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位的精度和穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：

1)4個在線PPP系統(tǒng)動態(tài)定位精度為厘米級，N方向和E方向明顯優(yōu)于U方向，APPS和CSRS-PPP系統(tǒng)優(yōu)于GAPS和magicGNSS系統(tǒng)。

2)時段長度由0增加至2 h時，4個在線PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位精度明顯提高，當(dāng)時段長度大于等于12 h后，4個PPP在線系統(tǒng)靜態(tài)定位精度幾乎保持不變。

3)不同在線系統(tǒng)、不同測站的靜態(tài)定位結(jié)果存在一些差異。APPS系統(tǒng)靜態(tài)定位結(jié)果最好，CSRS-PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位結(jié)果稍次，中低緯度區(qū)域測站GAPS系統(tǒng)靜態(tài)定位結(jié)果相對較好，magicGNSS系統(tǒng)靜態(tài)定位結(jié)果整體偏差。

4)不同在線系統(tǒng)、不同測站的靜態(tài)定位穩(wěn)定性有所不同，CSRS-PPP系統(tǒng)靜態(tài)定位穩(wěn)定性最好，APPS系統(tǒng)稍差，magicGNSS系統(tǒng)較差，GAPS系統(tǒng)最差。

綜合以上結(jié)論，對于有厘米級或毫米級PPP定位需求的用戶，建議提交時段長度不小于12 h的GNSS數(shù)據(jù)至APPS或CSRS-PPP系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。