BNC/RTKLIB/PPPWIZARD實時精密單點定位服務(wù)性能評估

杜 石 黃觀文 葛玉龍 岳 帆

1 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安市雁塔路126號，710064 2 中國科學(xué)院國家授時中心，西安市書院東路3號，710600

由于早期缺乏高精度的實時衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，PPP的解算模式主要為事后精密處理[1]，而近年來包括國際GNSS服務(wù)組織(IGS)在內(nèi)的多家分析中心提供了狀態(tài)空間表示(SSR)格式的實時數(shù)據(jù)流，包含高精度實時軌道和鐘差改正產(chǎn)品[2-3]，快速推進(jìn)了實時精密單點定位(RTPPP)技術(shù)的研究發(fā)展，補(bǔ)充完善了RTPPP的理論方法[4]。RTPPP應(yīng)用的實現(xiàn)不僅需要實時衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，還需要實時PPP軟件處理平臺，為此諸多研究人員及科研機(jī)構(gòu)相繼開發(fā)了PPP軟件，以此將RTPPP技術(shù)由理論方法轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。目前能夠?qū)崿F(xiàn)RTPPP功能的軟件包括RTKLIB、gLAB、G-NUT、GrafNav、BNC、PPPWIZARD等十余種，不同RTPPP軟件在解算策略和定位精度上存在一定的差異。國內(nèi)外學(xué)者在軟件定位性能方面開展大量的分析研究[5-6]發(fā)現(xiàn)，絕大部分PPP軟件和在線PPP服務(wù)能夠在事后處理中得到高精度的定位結(jié)果，但在RTPPP服務(wù)性能測試方面的成果較少。本文選擇BNC、RTKLIB和PPPWIZARD等3款應(yīng)用較為廣泛且開源代碼的GNSS解算軟件進(jìn)行測試分析，評估3款軟件在RTPPP服務(wù)性能方面的實時數(shù)據(jù)完整率、收斂速度、定位精度及數(shù)據(jù)有效率等指標(biāo)，以揭示不同軟件的定位服務(wù)性能差異。

1 軟件介紹

BNC是由德國BKG開發(fā)的一款能夠?qū)崿F(xiàn)實時GNSS數(shù)據(jù)流同步檢索、解碼、轉(zhuǎn)換、處理及分析的軟件，開發(fā)語言為C++。該軟件的實時處理模塊功能豐富，可同時接受多家分析中心的實時流產(chǎn)品及處理多個測站的實時數(shù)據(jù)[4]。

RTKLIB是由日本東京海洋科技大學(xué)的高須知二利用C/C++語言開發(fā)的軟件，用于多系統(tǒng)GNSS定位軟件的開源程序包，支持標(biāo)準(zhǔn)單點定位、精密單點定位、偽距差分定位及高精度雙差相對定位等多種模式[7]。在實時處理模塊中，其設(shè)置與BNC軟件大致相同，能在軟件界面上實時顯示更新定位結(jié)果的各種精度指標(biāo)及衛(wèi)星分布等。

PPPWIZARD是由法國太空研究中心(CNES)利用C++語言開發(fā)的一款通過非差非組合觀測值實現(xiàn)模糊度固定的GNSS定位開源軟件[8]，該軟件的RTPPP模塊主要分為2個部分：1)getStream，實時獲取RTCM3二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以其規(guī)定的方式存儲在指定文件內(nèi)；2)processStream，讀取getStream存儲的文件并進(jìn)行解碼定位。要實現(xiàn)PPPWIZARD軟件的RTPPP功能，需將這2個部分進(jìn)行組裝調(diào)用，同時導(dǎo)入配置文件和實時流數(shù)據(jù)獲取文件，即可在指定路徑中得到實時定位結(jié)果。

2 實時動態(tài)精密單點定位性能分析

2.1 數(shù)據(jù)處理策略

本文選擇由CNES提供的多系統(tǒng)實時產(chǎn)品CLK93及由DLR提供的多系統(tǒng)廣播星歷RTCM3EPH01兩個掛載點[2]分別進(jìn)行3款軟件的RTPPP解算測試，以分析結(jié)果的實時數(shù)據(jù)完整率、收斂時間、定位精度及數(shù)據(jù)有效率[9]。為使分析結(jié)果在時間和空間分辨率上具有參考性，均勻選取9個全球IGS測站，其中測站的接收機(jī)和天線等基本設(shè)備信息均可在IGS提供的SNX文件中獲取，測站分布見圖1，均來自IGS的多GNSS實驗(MGEX)觀測網(wǎng)，不同軟件采取的數(shù)據(jù)處理策略見表1。

圖1 所選9個IGS測站分布Fig.1 Distribution of the nine selected IGS stations

本文共3組在相同環(huán)境下實時接收的實驗數(shù)據(jù)：1)單天單GPS系統(tǒng)的RTPPP數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間為2020-03-04、03-05、03-06、03-10和03-11，其中武漢大學(xué)播發(fā)器(ntrip.gnsslab.cn)在03-07～09無法接收到所選測站的觀測數(shù)據(jù)；2)單天GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的RTPPP數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間為2020-03-12～03-16；3)單天GPS+GLONASS+Galileo三系統(tǒng)的RTPPP數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間為2020-03-17～03-21。

實驗評估的性能指標(biāo)包括實時數(shù)據(jù)完整率、收斂時間、定位精度和數(shù)據(jù)有效率，其中數(shù)據(jù)完整率是指單天接受到的歷元個數(shù)除以單天的理論最大歷元數(shù)，由于實時數(shù)據(jù)包含測站觀測值數(shù)據(jù)、廣播星歷數(shù)據(jù)和SSR數(shù)據(jù)，為綜合評估軟件接收實時數(shù)據(jù)的通訊能力[10]，將這3類實時數(shù)據(jù)完整率的平均值作為整體數(shù)據(jù)完整率。收斂時間定義為滿足東(E)、北(N)、天(U)方向的定位誤差連續(xù)10 min分別小于0.2 m、0.2 m和0.4 m閾值的第1個歷元[4]，其中PPPWIZARD軟件采用的是模糊度固定解，其余2個軟件采用的是模糊度浮點解。定位精度是指將實驗數(shù)據(jù)結(jié)果與IGS提供的周解坐標(biāo)作差，分別求得X、Y、Z方向上的定位誤差，并將其轉(zhuǎn)換到站心坐標(biāo)系E、N、U下，該指標(biāo)主要由軟件自身定位解算確定[11]。由于RTPPP容易受網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)質(zhì)量和軟件實時定位模塊等多因素影響，在收斂后可能出現(xiàn)重收斂或精度發(fā)散等情況，因此本文定義的數(shù)據(jù)有效率是指在收斂后符合閾值要求的歷元個數(shù)與收斂后總歷元個數(shù)的比值。

為更好地反映各軟件的RTPPP精度指標(biāo)，本文將展示各組實驗數(shù)據(jù)通過天數(shù)求平均后的結(jié)果，同時考慮到各軟件在測試時會受網(wǎng)絡(luò)、實時數(shù)據(jù)穩(wěn)定性及軟件自身通訊功能等問題的影響，在求平均過程中將去除最大值和最小值，以盡可能避免異常值和粗差的影響。為方便描述，后文將用單系統(tǒng)表示單GPS系統(tǒng)，雙系統(tǒng)表示GPS+GLONASS系統(tǒng)，三系統(tǒng)表示GPS+GLONASS+Galileo系統(tǒng)。

2.2 RTPPP數(shù)據(jù)完整率分析

分別統(tǒng)計了3款軟件單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)和三系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)完整率，結(jié)果見表2。由表可知，3款軟件在3種系統(tǒng)定位模式中都有較高的實時數(shù)據(jù)完整率，均達(dá)到96%以上，說明3款軟件在接收實時數(shù)據(jù)的通訊方面穩(wěn)定性都較高。

表2 3款軟件不同系統(tǒng)組合的實時數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計

為進(jìn)一步分析各軟件對實時數(shù)據(jù)接收能力的差異，分別統(tǒng)計了3款軟件在各個測站單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)及三系統(tǒng)參與定位解算的平均衛(wèi)星數(shù)，結(jié)果見圖2，圖中虛線為平均值。由圖可知，同一測站在相同環(huán)境的3種系統(tǒng)組合中，PPPWIZARD軟件參與定位解算的衛(wèi)星數(shù)最多，BNC次之，RTKLIB較差，反映了各軟件對實時數(shù)據(jù)接收能力的強(qiáng)弱差異。

圖2 各測站3款軟件不同系統(tǒng)組合衛(wèi)星數(shù)Fig.2 The number of satellites for each station in different systems

2.3 RTPPP收斂時間分析

分別統(tǒng)計了3款軟件在各測站單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)、三系統(tǒng)的平均收斂時間，結(jié)果見圖3。由圖可知，隨著系統(tǒng)數(shù)的增加，3款軟件的整體收斂時間均得到改善，其中BNC和PPPWIZARD軟件的收斂時間相對較短且穩(wěn)定，而RTKLIB軟件的收斂時間相對較長且因測站的不同而波動較大。為通過數(shù)值具體反映3款軟件在3種系統(tǒng)組合中的收斂時間，統(tǒng)計圖3中的信息結(jié)果見表3。由表可知，相比于單系統(tǒng)，多系統(tǒng)組合使用更多的衛(wèi)星參與定位，改善了空間幾何構(gòu)型，使收斂速度得到明顯提升，其中BNC軟件在多系統(tǒng)中的收斂時間優(yōu)于19 min，PPPWIZARD軟件在多系統(tǒng)中的收斂時間優(yōu)于13 min，而RTKLIB軟件在各系統(tǒng)組合中的收斂時間均超過80 min。

表3 3款軟件不同系統(tǒng)組合的收斂時間統(tǒng)計

為分析造成RTKLIB軟件收斂時間較長的原因，統(tǒng)計了該軟件在各測站三系統(tǒng)中E、N、U方向的收斂時間，結(jié)果見圖4，圖中虛線為平均值。由圖可知，E、N、U三方向的平均收斂時間分別約為72 min、28 min和27 min，其中E方向的收斂時間最長且與其他方向的收斂時間相差較大，接近軟件在三系統(tǒng)中的整體收斂時間。由此推斷，影響RTKLIB軟件整體收斂時間的因素是E方向的收斂問題，若能解決該問題，該軟件在三系統(tǒng)中的整體收斂時間可能優(yōu)于30 min。

圖3 各測站3款軟件不同系統(tǒng)組合收斂時間Fig.3 Convergence time for each station in different systems

圖4 RTKLIB軟件三系統(tǒng)E、N、U方向的收斂時間Fig.4 Convergence time of the E,N,U directionsof RTKLIB in triple systems

2.4 RTPPP定位精度和數(shù)據(jù)有效率分析

為準(zhǔn)確反映3款軟件基于實時流產(chǎn)品的RT-PPP解算結(jié)果與IGS給出的周解坐標(biāo)之間的定位誤差，本文將均方根(RMS)值作為定位精度的評價指標(biāo)，分別統(tǒng)計了3款軟件在各測站單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)、三系統(tǒng)中水平方向的平均RMS值，結(jié)果見圖5，同時統(tǒng)計了3款軟件不同系統(tǒng)組合在U方向的平均RMS值，結(jié)果見表4。

表4 3款軟件不同系統(tǒng)組合U方向RMS值統(tǒng)計

由圖5和表4可知，3款軟件在水平方向和U方向的RMS值整體上沒有顯著變化，說明正常情況下收斂后的定位精度不會因為衛(wèi)星數(shù)的增加和組合定位模式的改變而產(chǎn)生較大變化。

圖6為3款軟件在2020-03-17 PADO測站三系統(tǒng)中E、N、U三方向的定位誤差序列，由圖可知，BNC和PPPWIZARD軟件的定位誤差序列精度較高且較為穩(wěn)定，RTKLIB軟件雖然在水平方向和U方向都能達(dá)到dm級，但整個序列收斂并不一致，會因網(wǎng)絡(luò)、實時產(chǎn)品及軟件內(nèi)部動態(tài)模型等因素的影響產(chǎn)生起伏波動。圖6(b)和6(c)中出現(xiàn)粗差重收斂現(xiàn)象，經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，RTKLIB軟件在當(dāng)天08:00:07～08:00:11產(chǎn)生粗差，PPPWIZARD軟件在08:00:10～08:05:11產(chǎn)生粗差，但定位結(jié)果的時間序列均未出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，推斷可能是SSR數(shù)據(jù)流的短時間中斷。另外，在相應(yīng)的時間段中BNC軟件未出現(xiàn)粗差重收斂現(xiàn)象，說明該軟件在應(yīng)對短時間SSR數(shù)據(jù)中斷的情況中表現(xiàn)較為穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)有效率越高說明軟件收斂后的精度越穩(wěn)定一致，軟件自身的實時定位功能越完善。圖7為3款軟件在各測站單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)、三系統(tǒng)中的平均數(shù)據(jù)有效率，由圖可知，在3種系統(tǒng)組合RTPPP中，BNC和PPPWIZARD軟件的數(shù)據(jù)有效率相對較高且穩(wěn)定，基本在95%左右；而RTKLIB軟件的數(shù)據(jù)有效率整體相對較低且波動較大，單系統(tǒng)中整體低于42%，雙系統(tǒng)中整體低于63%，三系統(tǒng)中整體低于73%，但數(shù)據(jù)有效率隨系統(tǒng)數(shù)的增加有顯

圖5 各測站3款軟件不同系統(tǒng)組合水平方向的RMS值Fig.5 RMS values in horizontal direction for each station in different systems

圖6 PADO測站3款軟件三系統(tǒng)定位誤差序列Fig.6 PADO station positioning error sequence in triple systems

圖7 3款軟件不同系統(tǒng)組合各測站數(shù)據(jù)有效率Fig.7 Data efficiency for each station in different systems

著提升，說明RTKLIB軟件收斂精度的穩(wěn)定性及實時動態(tài)定位功能的強(qiáng)弱與系統(tǒng)數(shù)密切相關(guān)。

從對流層估值、實時改正數(shù)時延和模糊度過程噪聲等多方面對造成RTKLIB軟件收斂時間較長且收斂后精度波動較大的原因進(jìn)行分析后認(rèn)為：1)在對流層估值方面，RTKLIB軟件對流層估值與PPPWIZARD軟件對流層估值的整體趨勢一致(mm級差異)，推斷RTKLIB軟件對流層策略并非影響其收斂時間和收斂后精度波動的主要原因；2)在實時改正數(shù)時延方面，RTKLIB軟件采用10 s實時改正數(shù)時延和90 s實時改正數(shù)時延的定位結(jié)果無差別，其中90 s為RTKLIB軟件內(nèi)部默認(rèn)的實時改正數(shù)時延，10 s為PPPWZIARD軟件的實時改正數(shù)時延；3)在模糊度過程噪聲方面，初步算例結(jié)果顯示，降低模糊度過程噪聲設(shè)置可明顯改善RTKLIB軟件的實時定位結(jié)果。關(guān)于最佳的模糊度過程噪聲設(shè)置及不同參數(shù)的適用性等將在后續(xù)研究中深入探討。

3 結(jié) 語

本文對3款GNSS開源軟件BNC、RTKLIB和PPPWIZARD的RTPPP服務(wù)性能進(jìn)行了評估，并從實時數(shù)據(jù)完整率、收斂時間、定位精度和數(shù)據(jù)有效率等4個方面進(jìn)行了計算分析，結(jié)果表明：

1)正常情況下，3款軟件RTPPP接收的實時數(shù)據(jù)完整率均達(dá)到96%以上，通訊穩(wěn)定性都較好。在實時數(shù)據(jù)接收能力方面，PPPWIZARD軟件最優(yōu)，BNC次之，RTKLIB稍差。

2)隨著系統(tǒng)數(shù)的增加，3款軟件的收斂速度也隨之提升，但不同軟件的收斂時間有較大的差異。BNC和PPPWIZARD軟件在單系統(tǒng)定位中收斂時間分別約為25 min和40 min，在多系統(tǒng)定位中收斂時間分別優(yōu)于19 min和13 min，而RTKLIB軟件在3種系統(tǒng)組合定位中的收斂時間均超過80 min。

3)3款軟件在不同系統(tǒng)組合中的定位精度都較穩(wěn)定，水平方向的定位精度分別優(yōu)于9 cm、16 cm和7 cm，U方向的定位精度分別優(yōu)于12 cm、20 cm和12 cm。在RTPPP的穩(wěn)定性方面，BNC和PPPWIZARD軟件在收斂后精度較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)有效率均達(dá)到95%左右，其中PPPWIZARD軟件采用固定解模式；而RTKLIB軟件在收斂后精度會產(chǎn)生顯著波動，數(shù)據(jù)有效率最優(yōu)也低于73%。