4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)定位精度分析

王揮云

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京100161）

4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)定位精度分析

王揮云

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京100161）

系統(tǒng)比較了APPS、CSRS-PPP、GAPS、magicGNSS 4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)的特性，在此基礎(chǔ)上，利用全球分布的5個IGS站，分析了這4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)在定位精度、收斂時間、對流層延遲精度3個方面的解算性能。試驗結(jié)果表明，4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)解算的單天站坐標(biāo)的精度都可達(dá)毫米級，其中APPS和CSRS-PPP解算的坐標(biāo)精度略高于另外兩種服務(wù)解算的精度。PPP定位坐標(biāo)在1 h內(nèi)可收斂至厘米級，在1.5 h時定位精度在0.05 m內(nèi)。另外，4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)解算的對流層天頂延遲ZTD與IGS發(fā)布的ZTD也具有較高的一致性。

在線PPP服務(wù)；定位精度；收斂時間；對流層天頂延遲

GNSS相對定位技術(shù)可獲得高精度定位結(jié)果，已廣泛應(yīng)用于大地測量中。但是，GNSS相對定位技術(shù)也有其局限性:至少需要兩臺接收機(jī)，并且需要參考站的已知坐標(biāo)值；另外，隨著距離的增加，大氣延遲等誤差的相關(guān)性減弱，定位精度也隨之降低。傳統(tǒng)的單點定位技術(shù)雖可以獲得單站的位置坐標(biāo)，但精度不高，不適用于一些精密測量和工程應(yīng)用。而精密單點定位技術(shù)（precise point positioning，PPP）只需一臺接收機(jī)，利用精密衛(wèi)星軌道和精密鐘差產(chǎn)品，綜合考慮各項誤差源，就可實現(xiàn)靜態(tài)毫米級，動態(tài)厘米至分米級的定位精度［1］。與相對定位技術(shù)相比，PPP技術(shù)不需要區(qū)域的參考站，降低了作業(yè)成本，提高了作業(yè)效率。

近些年，一些免費在線GNSS服務(wù)系統(tǒng)逐步建立。這些在線服務(wù)系統(tǒng)沒有任何限制，也不需要用戶了解詳細(xì)的處理過程，用戶只需按要求提供觀測數(shù)據(jù)，就可獲得相應(yīng)的定位結(jié)果［2］。目前，可提供單點定位的在線服務(wù)系統(tǒng)主要有AUSPOS、SCOUT、OPUS、APPS、CSRS-PPP、GAPS、magicGNSS等［3-4］。其中，AUSPOS、SCOUT、OPUS是基于基線網(wǎng)解算，其方式為將上傳觀測數(shù)據(jù)與其附近的幾個IGS站或CORS參考站進(jìn)行聯(lián)合解算和平差；而APPS、CSRS-PPP、GAPS、magicGNSS是以非差精密單點定位方式進(jìn)行解算。這些在線服務(wù)系統(tǒng)的解算精度和可靠性是用戶所關(guān)心的問題，也是決定其實用性的前提。徐瑩等［5］利用美國境內(nèi)的3個參考站觀測數(shù)據(jù)分析了AUSPOS、SCOUT、OPUS 3種軟件解算結(jié)果的內(nèi)外符合精度，并評價了其實用性。陳良等［6］利用中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)對APPS、 CSRS-PPP、GAPS、magicGNSS的靜態(tài)和動態(tài)解算性能進(jìn)行了比較，得出了各系統(tǒng)處理靜態(tài)數(shù)據(jù)達(dá)厘米級、處理動態(tài)數(shù)據(jù)達(dá)分米級的結(jié)論。郭斐等［7］詳細(xì)分析了APPS、CSRS-PPP、GAPS、magicGNSS 4種服務(wù)系統(tǒng)對鐘跳數(shù)據(jù)的處理性能。

在線服務(wù)系統(tǒng)的解算性能不僅可用站點坐標(biāo)的精度來衡量，也可用對流層延遲等產(chǎn)品的精度來反映。本文將對基于PPP的4種在線服務(wù)系統(tǒng)的解算結(jié)果進(jìn)行比較，分析它們的坐標(biāo)精度、收斂時間、對流層延遲精度等，旨在系統(tǒng)地綜合評價這4種在線服務(wù)系統(tǒng)的解算性能。

一、精密單點定位數(shù)學(xué)模型

GPS精密單點定位一般是采用單臺雙頻接收機(jī)，利用IGS提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差，基于載波相位觀測值進(jìn)行的高精度定位。其觀測方程如下［8］

式中，lp和lφ分別為無電離層偽距組合觀測值和無電離層相位組合觀測值；ρ為接收機(jī)（Xr，Yr，Zr）和衛(wèi)星（Xi，Yi，Zi）間的幾何距離；r表示接收機(jī)號；i表示衛(wèi)星號；c為光速；dtr和dTi分別表示接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差；Tr表示中性大氣（主要為對流層）引起的延遲；λ為載波波長；Ni為無電離層相位組合觀測值的模糊度；εp和εφ分別表示無電離層偽距觀測值和相位觀測值的觀測噪聲（包括多路徑效應(yīng)等）。

在精密單點定位的數(shù)學(xué)模型中，需要考慮各種改正數(shù)，如地球固體潮改正、海洋負(fù)荷潮改正、天線相位中心偏差改正、相位纏繞改正等［9］。觀測值中的電離層延遲誤差通過雙頻信號組合消除，對流層延遲誤差和接收機(jī)鐘差則通過引入未知參數(shù)進(jìn)行估計［10］。另外，由導(dǎo)航電文得到的衛(wèi)星鐘和軌道參數(shù)的精度較低，不能滿足精密單點定位的要求，一般采用IGS發(fā)布的精密星歷和精密鐘差代替。

二、4種在線服務(wù)系統(tǒng)的特性比較

不同在線服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計方式各不相同，表1給出了APPS、CSRS-PPP、GAPS、magicGNSS 4種服務(wù)系統(tǒng)的特性。對4種服務(wù)系統(tǒng)的特性分析可知，它們接收觀測數(shù)據(jù)的方式略有不同，但都僅支持RINEX格式的觀測數(shù)據(jù)。4種服務(wù)系統(tǒng)都可分別處理靜態(tài)和動態(tài)觀測數(shù)據(jù)，但目前APPS僅支持默認(rèn)靜態(tài)方式，動態(tài)方式處于不可選擇狀態(tài)。對解算報告分析可知，4種服務(wù)系統(tǒng)的處理模型都不相同。如CSRS-PPP在處理對流層延遲時采用的是Hopfield模型，投影函數(shù)為GMF；而GAPS可提供多種先驗?zāi)Ｐ?，并且有Vienna和Niell兩種投影函數(shù)供選擇。

表1　4種在線服務(wù)系統(tǒng)的特性比較

三、產(chǎn)品精度分析

1.試驗數(shù)據(jù)

為分析4種在線PPP的定位精度、收斂時間狀況、對流層和接收機(jī)鐘差估計值情況，分別下載5個IGS站2015年4月10日（年積日為100，GPS周為1839）采樣間隔為30 s的單天觀測數(shù)據(jù)。這5個IGS站分布在全球不同緯度地區(qū)，具有很高的代表性，站點的地理位置見表2。分別利用4種在線服務(wù)系統(tǒng)處理上述5個IGS站的觀測數(shù)據(jù)，對解算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。在對解算結(jié)果的分析過程中，都以IGS網(wǎng)站公布的對應(yīng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)作為真值。

表2　5個IGS站的地理位置

2.定位精度分析

4種在線服務(wù)系統(tǒng)解算的結(jié)果中，CSRS-PPP和GAPS可提供逐歷元的坐標(biāo)結(jié)果，而 APPS和magicGNSS僅提供最終的定位結(jié)果。分別提取4種在線服務(wù)系統(tǒng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，與IGS提供的坐標(biāo)作比較。這里僅給出LPGS、RIOP、SYOG 3個站點的比較結(jié)果，殘差見表3。

表3　4種在線服務(wù)軟件位置解算精度比較　m

從表3可知，3個站點在3個坐標(biāo)方向的殘差值都較小，最大為0.016 m，最小為0，且大多數(shù)的殘差值在毫米級。對比4種在線服務(wù)系統(tǒng)的解算結(jié)果，APPS和CSRS-PPP解算的坐標(biāo)殘差值都在毫米級，比GAPS和magicGNSS的解算精度略高。另外，從4種在線服務(wù)系統(tǒng)的解算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，解算坐標(biāo)的均方根也都較小，全都在毫米級，說明這4種在線服務(wù)系統(tǒng)解算結(jié)果的內(nèi)符合精度也較高。

3.定位收斂性分析

雖然PPP技術(shù)具有實施簡單和低成本的優(yōu)點，但是該技術(shù)一般需要較長的收斂時間。這是由于可見衛(wèi)星的數(shù)量及幾何分布、觀測環(huán)境、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素的影響。而最主要的原因是衛(wèi)星和接收機(jī)的相位未校準(zhǔn)硬件延遲的小數(shù)部分破壞了整周模糊度的整數(shù)特性，只能利用實數(shù)模糊度進(jìn)行定位，從而延長了定位收斂時間。為分析PPP定位的收斂時間，利用GAPS逐歷元的定位結(jié)果，與IGS發(fā)布的坐標(biāo)值作差，獲得逐歷元的殘差值，如圖1和圖2所示。這里僅給出LPGS和SYOG的逐歷元殘差圖。

圖1　LPGS站的坐標(biāo)殘差分布

圖2　SYOG站的坐標(biāo)殘差分布

從圖1和圖2可知，在初始?xì)v元中，兩個站點的坐標(biāo)殘差值都較大，這是由于初始?xì)v元中載波相位的觀測值還較少，主要依賴于偽距觀測值進(jìn)行定位，因此定位精度較差。隨著觀測數(shù)據(jù)的增多，載波相位觀測值逐漸對定位起主要作用，定位精度隨之提高。兩個測站的殘值圖表明，在1 h內(nèi)坐標(biāo)殘差值都收斂至厘米級，在1.5 h時定位精度可達(dá)0.05 m內(nèi)。對比兩個測站的殘差圖，SYOG比LPGS的收斂性要好，這可能是由于測站SYOG的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

4.對流層延遲精度分析

在GNSS定位中，對流層延遲是重要的誤差源之一。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，如何獲取高精度的對流層天頂延遲（zenith tropospheric delay，ZTD）是當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航定位的重要研究內(nèi)容之一。在GNSS氣象學(xué)中，ZTD對于研究水汽變化進(jìn)而對降水進(jìn)行預(yù)報也具有重要意義。PPP技術(shù)是獲取ZTD產(chǎn)品的一種新的測量方式，而PPP解算的ZTD產(chǎn)品的精度和可靠性是決定其實用性的前提。

為分析4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)解算的ZTD產(chǎn)品的精度，利用這4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)解算了BJFS、KIRU、LPGS、RIOP、SYOG 5個測站的單天觀測數(shù)據(jù)，從解算結(jié)果中提取了ZTD產(chǎn)品，并與IGS發(fā)布的ZTD產(chǎn)品進(jìn)行比較，如圖3—圖7所示。從5個測站的ZTD對比圖可知，4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)解算的ZTD產(chǎn)品與IGS發(fā)布的ZTD產(chǎn)品具有較高的一致性。但由于4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)選用的先驗?zāi)Ｐ秃陀成浜瘮?shù)不相同，因此解算的ZTD產(chǎn)品也有所差別。GAPS解算的ZTD在初始?xì)v元中波動較大，隨著觀測量的增多，其與IGS發(fā)布的ZTD間的偏差逐漸縮小。另外，GAPS解算的ZTD在有些測站與IGS發(fā)布的ZTD具有較好的一致性，而在其他測站的一些歷元中出現(xiàn)較大偏差，如KIRU站，這說明GAPS解算的穩(wěn)定性不高。在4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)中，APPS解算的ZTD與IGS發(fā)布的ZTD具有最好的一致性，5個測站的ZTD偏差都在1 cm內(nèi)。CSRS-PPP和magicGNSS解算的ZTD具有較好的一致性，且與IGS發(fā)布的ZTD相似性也較高。

四、結(jié)束語

PPP是一種利用單臺接收機(jī)就可獲得靜態(tài)厘米級定位精度的測量技術(shù)，其最大的優(yōu)點是不需要用戶設(shè)置參考站，從而極大地降低了測量成本，簡化了測量方式。本文利用全球分布的5個IGS站的觀測數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)在定位精度、定位收斂性、對流層延遲精度3個方面的解算性能，系統(tǒng)全面評價了PPP定位技術(shù)。4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)解算的單天站坐標(biāo)的精度都可達(dá)毫米級，其中APPS和CSRS-PPP解算的坐標(biāo)精度略高于另外兩種解算的精度。PPP定位坐標(biāo)在1 h內(nèi)可收斂至厘米級，在1.5 h時定位精度在0.05 m內(nèi)。另外，4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)解算的ZTD與IGS發(fā)布的ZTD也具有較高的一致性，其中APPS解算的ZTD精度最好，GAPS解算的ZTD在有些歷元出現(xiàn)一定的波動。

圖3　不同軟件解算的BJFS站ZTD

圖4　不同軟件解算的KIRU站ZTD

圖5　不同軟件解算的LPGS站ZTD

圖6　不同軟件解算的RIOP站ZTD

圖7　不同軟件解算的SYOG站ZTD

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變 更

本刊2016年第6期第69頁《北斗高精度手持機(jī)在航測外業(yè)中的應(yīng)用》一文，第一作者李軍的單位應(yīng)為"陜西省第二測繪工程院"，特此變更。

《測繪通報》編輯部

2016年07月15日

Positioning Accuracy Analysis Obtained from Four Online PPP Services

WANG Huiyun

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0225.

P228

B

0494-0911（2016）07-0066-04

2016-03-13

王揮云（1971—），男，高級工程師，主要研究方向為數(shù)字化礦山。E-mail:13904186880@163.com

引文格式：王揮云.4種在線PPP服務(wù)系統(tǒng)定位精度分析［J］.測繪通報，2016（7）:66-69.