開源精密單點(diǎn)定位軟件gLAB定位精度分析

田英國 ，郝金明 ，謝建濤 ，張力洋 ，薄軍偉

(1．信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2．66191部隊(duì)，河北 張家口 076250；3．61234部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

精密單點(diǎn)定位技術(shù)(PPP)最早由美國噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)的Zumberge(1997)等人提出，并在GIPSY 軟件中得以實(shí)現(xiàn)[1]。目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于GNSS高精度測量、導(dǎo)航、定位、精密授時(shí)以及大氣延遲計(jì)算等領(lǐng)域。與聯(lián)合多測站觀測數(shù)據(jù)實(shí)施網(wǎng)平差相比，PPP能夠在保證解算精度的同時(shí)，方便用戶實(shí)施且能有效減少用戶的計(jì)算負(fù)擔(dān)。用戶通過一臺(tái)雙頻雙碼GPS接收機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)千平方公里乃至全球范圍內(nèi)的高精度定位。

國內(nèi)外的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和高校的眾多學(xué)者對(duì)PPP技術(shù)展開了廣泛、深入、細(xì)致的研究，并先后在PPP技術(shù)的理論模型、算法、軟件等方面取得了豐富的科研成果。國際上部分高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)提供公開的源碼和在線計(jì)算服務(wù)，例如，gLAB、GPSTK、 RTKLIB等軟件都具有公開的源碼，精密單點(diǎn)定位軟件中心(PPPSC)則提供PPP在線計(jì)算服務(wù)[2-3]。

gLAB是一款具有公開源碼、界面友好的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件包，由西班牙加泰羅尼亞科技大學(xué)的天文與測量研究組共同開發(fā)。gLAB當(dāng)前的2.0版本只能處理GPS數(shù)據(jù)，但計(jì)劃在后續(xù)的版本中兼容Galileo、GLONASS、EGNOS等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)[4]。

本文根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)gLAB精密單點(diǎn)定位軟件的定位精度進(jìn)行了分析。選取2012年11月30日IGS站POL2觀測數(shù)據(jù)對(duì)gLAB靜態(tài)和靜態(tài)模擬動(dòng)態(tài)的精密定位結(jié)果進(jìn)行處理，并將結(jié)果與IGS網(wǎng)站提供的精密坐標(biāo)值以及在線PPP計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，旨在為使用該軟件提供參考。

1 精密單點(diǎn)定位基本模型

在GNSS精密單點(diǎn)定位中, 雙頻GNSS 接收機(jī)可同時(shí)獲得L1和 L2 載波上的相位和偽距觀測量，其觀測方程[5]可表示如下：

(1)

(2)

GNSS精密單點(diǎn)定位主要模型如表1所示。

在使用gLAB進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的算例中，主要考慮了電離層延遲改正(LC消電離層組合)、對(duì)流程延遲改正(Niell模型+估計(jì))、接收機(jī)天線相位中心改正(PCO+PCV)、衛(wèi)星天線相位中心改正(PCO)、相對(duì)論效應(yīng)改正、天線相位纏繞改正、硬件延遲偏差改正和潮汐改正(固體潮改正)等。

表1 文中采用的誤差改正模型要素描述

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

為了比較和分析gLAB軟件在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及機(jī)動(dòng)性條件下精密定位的精度情況，本文分別進(jìn)行了靜態(tài)、靜態(tài)模擬動(dòng)態(tài)計(jì)算。靜態(tài)與靜態(tài)模擬動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)隨機(jī)選取了IGS地面跟蹤站吉爾吉斯斯坦的比什凱克站POL2 采樣率為30 s的單天觀測數(shù)據(jù)，從IGS分析中心下載了對(duì)應(yīng)時(shí)段的事后精密星歷文件(SP3格式)、30 s采樣率的衛(wèi)星鐘差文件以及相關(guān)的輔助信息文件。

在靜態(tài)與靜態(tài)模擬動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，由于POL2 站的真實(shí)坐標(biāo)已知(通過IGS網(wǎng)站中的Sinex文件獲得)，比較由gLAB軟件解算得到的結(jié)果和真實(shí)坐標(biāo)之間的差異，并將其轉(zhuǎn)換至N、E、U三個(gè)方向來評(píng)價(jià)。另外，為了排除觀測數(shù)據(jù)本身質(zhì)量的影響，還將gLAB軟件解算結(jié)果與在線PPP處理軟件APPS、CSRS-PPP和MagicGNSS的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2.2 靜態(tài)PPP實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用gLAB、APPS、CSRS-PPP 、MagicGNSS分別計(jì)算POL2觀測站在2012年11月30日靜態(tài)定位結(jié)果并與其跟蹤站的真實(shí)坐標(biāo)相比較，得到在N、E、U 三個(gè)方向上的偏差如圖 1、圖 2及表 2所示(APPS和MagicGNSS靜態(tài)解只提供最終解，無中間歷元解)。

圖1 gLAB靜態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果的NEU方向誤差

圖2 CSRS-PPP靜態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果的N、E、U方向誤差

表2靜態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果的N、E、U方向偏差

dE/mdN/mdU/mgLAB0.003 80.006 00.003 2APPS0.002 10.004 2-0.001 1CSRS-PPP0.000 70.001 00.000 2MagicGNSS0.010 60.007 7-0.003 5

從圖 1、圖 2及表 2中可以看出，gLAB、APPS等精密單點(diǎn)定位軟件的單天靜態(tài)解在N、E、U 三個(gè)方向的精度均在cm到mm級(jí)，除MagicGNSS的處理結(jié)果在東方向偏差達(dá)到1 cm 左右外，其他解算結(jié)果所有方向的誤差均優(yōu)于1 cm.

2.3 動(dòng)態(tài)PPP實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于處理實(shí)測的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)難以進(jìn)行有效的驗(yàn)證，本文采用動(dòng)態(tài)的解算模式處理靜態(tài)的觀測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)gLAB動(dòng)態(tài)PPP精度分析。用gLAB、APPS、CSRS-PPP 、MagicGNSS分別計(jì)算POL2觀測站在2012年11 月30日動(dòng)態(tài)定位結(jié)果并與其跟蹤站的真實(shí)坐標(biāo)相比較，得到在N、E、U 三個(gè)方向上的偏差如圖3、圖4、圖5、圖6及表3所示。

圖3 gLAB動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果與已知坐標(biāo)在N、E、U方向的差值

圖4 APPS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果與已知坐標(biāo)在N、E、U方向的差值

圖5 CSRS-PPP動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果與已知坐標(biāo)在N、E、U方向的差值

圖6 MagicGNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果與已知坐標(biāo)在N、E、U方向的差值

表3動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果的N、E、U方向偏差/m

dN(95%)dE(95%)dU(95%)gLAB0.078 90.034 40.094 1APPS0.035 30.022 40.133 3CSRS-PPP0.012 70.008 50.015 9MagicGNSS0.055 80.020 30.210 7

從上述圖表可以看出，采用靜態(tài)模擬動(dòng)態(tài)解算，gLAB、APPS、CSRS-PPP 、MagicGNSS計(jì)算的POL2觀測站在2012年11月30日精密單點(diǎn)定位誤差N、E方向都在10 cm 以內(nèi)(95%) ；U方向偏差只有APPS和MagicGNSS解算結(jié)果大于10 cm，其余解算結(jié)果均優(yōu)于10 cm.

上述動(dòng)態(tài)PPP結(jié)果實(shí)際上可以作為是一種理想狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)PPP解算。實(shí)際情況中，載體的運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量相對(duì)靜態(tài)要低一些，受到周跳、多路徑誤差的影響也比靜態(tài)更為嚴(yán)重。因此，上述精度是在比較理想的情況下獲得的精度，實(shí)際的動(dòng)態(tài)定位精度可能要稍低于上述定位精度。

3 結(jié)束語

利用實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了gLAB軟件計(jì)算靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的穩(wěn)定性及可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開源gLAB精密單點(diǎn)定位軟件靜態(tài)精密單點(diǎn)定位解算結(jié)果可達(dá)到cm至mm級(jí)(95%)，動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果可達(dá)到dm至cm級(jí)(95%)，并且動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果穩(wěn)定可靠。

[1] ZUMBERGE, J F Automated GPS data analysis service[J]. GPS Solutions, 1999,2(3): 76.

[2] NATURAL RESOURCES CANADA, On-line Precise Point Positioning how to use document [R]. Canada Centre for Remote Sensing Geodetic Survey, 2004.

[3] RODRIGO F. LEANDRO, MARCELO C.etal. GAPS: The GPS analysis and positioning software-a brief overview [C]//ION GNSS 20th International Technical Meeting of Satellite Division, 2007:25-28.

[4] RAMOS-BOSCH P. GNSS-Lab tool software user manual [R].Research Group of Astronomy & Geomatics Technology University of Catalonia,2011.

[5] 阮仁桂. GPS非差相位精密單點(diǎn)定位研究[D]. 鄭州:解放軍信息工程大學(xué), 2009.