三種多系統(tǒng)開源PPP軟件性能比較與分析

王何鵬 郭 杭 黃 聰

1 南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌市學(xué)府大道999號，330031

精密單點定位(PPP)是一種使用單臺接收機就可實現(xiàn)高精度定位的方法，廣泛應(yīng)用于低軌衛(wèi)星精密定軌、地殼形變監(jiān)測、GNSS氣象學(xué)、高精度靜態(tài)或動態(tài)定位等領(lǐng)域。多系統(tǒng)融合的GNSS精密單點定位方法已成為當(dāng)前的趨勢，可有效提高定位精度和收斂速度[1-8]。

隨著PPP技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外已有大量科研機構(gòu)和個人開發(fā)出許多支持PPP處理的軟件工具，大致可分為4類：大型科研軟件、商業(yè)軟件、在線服務(wù)系統(tǒng)和開源軟件[9-10]。大型科研軟件如P3、PANDA、Bernese等功能強大，但學(xué)習(xí)難度大且不對普通用戶開放；商業(yè)軟件如GrafNav等價格昂貴，源碼不公開；在線服務(wù)系統(tǒng)如APPS、GAPS、CSRS-PPP和magicGNSS等使用簡單，無需付費，但源碼也不對用戶開放，且大部分在線服務(wù)系統(tǒng)均不支持多系統(tǒng)處理[11-12]。開源PPP軟件具有源碼公開、免費、使用簡單、所有用戶都能使用等優(yōu)點，非常適合廣大科研人員、工程應(yīng)用人員進(jìn)行學(xué)習(xí)以及進(jìn)一步開發(fā)，因此對開源PPP軟件的運用以及開發(fā)具有重要價值和意義。目前已經(jīng)有大量開源PPP軟件可供用戶使用，如PPPH、MG-APP、GAMP、GPSTk、PRIDE PPP-AR、RTKLIB等，但并非所有開源PPP軟件都支持多系統(tǒng)衛(wèi)星聯(lián)合定位，且目前對不同開源軟件性能比較研究的文獻(xiàn)較少。本文對PPPH、MG-APP、GAMP三種可處理多系統(tǒng)聯(lián)合定位的開源PPP軟件進(jìn)行比較與分析，對比3個軟件的特點，并分析其處理GPS+GLONASS+BDS+Galileo多系統(tǒng)和GPS單系統(tǒng)PPP的定位精度、收斂時間和對流層延遲。

1 三種開源軟件特性比較

由于不同的開源軟件具有不同的數(shù)據(jù)處理特點和功能，用戶在使用之前不僅要考慮其定位精度，還應(yīng)關(guān)注軟件支持的操作系統(tǒng)、運行環(huán)境、操作界面、處理模型、輸出結(jié)果類型等因素，然后根據(jù)需求選擇對應(yīng)的開源軟件。

PPPH是在MATLAB下運行的多系統(tǒng)開源PPP軟件，MG-APP是基于跨平臺Qt框架的C++語言下的多系統(tǒng)開源PPP軟件，GAMP是在RTKLIB基礎(chǔ)上開發(fā)的多系統(tǒng)開源PPP軟件[13-15]。表1為PPPH、MG-APP、GAMP三種軟件的主要特征比較，可以看出，3種軟件均能在Windows、Mac、Linux等操作系統(tǒng)下運行，且能支持多種衛(wèi)星系統(tǒng)，可極大方便用戶使用。PPPH和MG-APP均擁有用戶友好的圖形操作界面，相比于GAMP更容易學(xué)習(xí)和使用。GAMP比PPPH和MG-APP多了非差非組合的PPP模型，可方便用戶對比研究不同PPP模型函數(shù)。MG-APP和GAMP比PPPH具有更多的對流層改正模型，可方便用戶比較不同對流層模型對定位結(jié)果的影響。

表1 3種開源軟件主要特征比較

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 實驗方案與數(shù)據(jù)處理策略

實驗數(shù)據(jù)選取全球多系統(tǒng)定位服務(wù)實驗網(wǎng)(MGEX)中6個測站(AREG、JFNG、REUN、WROC、NNOR、YEL2)2018-09-13～2018-09-19和2019-01-05～2019-01-11共14 d的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣率為30 s。

利用PPPH、MG-APP、GAMP三款開源軟件分別對GPS單系統(tǒng)、GPS+GLONASS+BDS+Galileo(以下簡稱GRCE)多系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)/動態(tài)PPP解算，并分析不同軟件解算的定位精度、收斂時間以及對流層ZTD。表2為3個軟件具體的數(shù)據(jù)處理策略，精密軌道、精密鐘差等精密產(chǎn)品均由IGS各分析中心提供，PPPH和GAMP使用CODE發(fā)布的5 min精密軌道和30 s精密鐘差，由于MG-APP可自動選擇和下載精密產(chǎn)品，因此不作說明。

表2 3種開源軟件數(shù)據(jù)處理策略

2.2 靜態(tài)PPP定位精度和收斂性分析

為分析3種軟件處理GPS單系統(tǒng)和GRCE多系統(tǒng)的定位精度和收斂時間，本文使用IGS提供的SINEX文件中的坐標(biāo)作為參考值，并以N、E、U三個方向定位偏差均收斂至1 dm的時間定義為收斂時間。圖1和圖2為2019-01-05 AREG站GPS單系統(tǒng)和GRCE多系統(tǒng)靜態(tài)PPP解算結(jié)果，為方便比較，圖中僅顯示前6 h結(jié)果?？梢钥闯?，3個軟件解算的GRCE多系統(tǒng)的定位精度和收斂時間比GPS單系統(tǒng)均有所改善，MG-APP相比于PPPH和GAMP在收斂時間上更短。表3和表4分別為2018-09-13～2018-09-19期間和2019-01-05～2019-01-11期間3個軟件解算的6個測站GPS單系統(tǒng)和GRCE多系統(tǒng)靜態(tài)PPP兩周定位誤差RMS和收斂時間平均值，可以看出，U方向精度最差，且3個軟件解算的GPS單系統(tǒng)和GRCE多系統(tǒng)精密單點定位結(jié)果在平面上優(yōu)于1 cm，高程上優(yōu)于2 cm；MG-APP和GAMP解算的定位精度相當(dāng)而PPPH略差，3個軟件解算的多系統(tǒng)精密單點定位精度均優(yōu)于GPS單系統(tǒng)；PPPH、MG-APP、GAMP解算的GPS單系統(tǒng)PPP收斂時間分別約為30.5 min、28.6 min、29.2 min，GRCE多系統(tǒng)PPP收斂時間分別約為18.7 min、17.1 min、17.6 min。PPPH、MG-APP、GAMP解算的GRCE多系統(tǒng)收斂時間比GPS單系統(tǒng)分別改善約38.7%、40.2%、39.7%，極大地縮短了定位的收斂時間。

圖1 3種軟件解算的AREG站GPS單系統(tǒng)靜態(tài)PPP誤差Fig.1 GPS static PPP error of AREG station solved by three kinds of software

圖2 3種軟件解算的AREG站GRCE多系統(tǒng)靜態(tài)PPP誤差Fig.2 GRCE static PPP error of AREG station solved by three kinds of software

表3 6個測站GPS靜態(tài)PPP兩周定位誤差RMS值與收斂時間

2.3 動態(tài)PPP定位精度分析

采用§2.1中數(shù)據(jù)處理策略和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使用3種軟件對各個測站進(jìn)行GPS和GRCE兩種模式的動態(tài)精密單點定位。圖3為3種軟件解算的2種模式2周定位誤差RMS平均值，可以看出，3個軟件解算的GPS動態(tài)精密單點定位在平面上優(yōu)于2 cm、高程上優(yōu)于5 cm；GRCE動態(tài)精密單點定位在平面上優(yōu)于2 cm、高程上優(yōu)于3 cm，GRCE動態(tài)精密單點定位精度優(yōu)于GPS單系統(tǒng)。

表4 6個測站GRCE靜態(tài)PPP兩周定位誤差RMS值與收斂時間

圖3 2種模式2周定位誤差RMS平均值Fig.3 RMS mean value of positioning error in two weeks under two modes

2.4 對流層精度分析

對流層延遲是精密單點定位的重要誤差源，同時對研究水汽變化從而預(yù)報降水也具有重要意義。PPP技術(shù)是獲取ZTD產(chǎn)品的一種方式，因此對PPP解算的ZTD產(chǎn)品的精度與可靠性進(jìn)行分析非常重要。為驗證3個軟件解算ZTD的精度，使用IGS發(fā)布的ZTD產(chǎn)品作為參考值來評估不同軟件解算的GPS單系統(tǒng)和GRCE多系統(tǒng)ZTD精度。圖4和圖5為2019-01-05～ 2019-01-11(年積日5～11)AREG站和YEL2站軟件解算的ZTD與IGS發(fā)布的ZTD差值的時間序列，可以看出，3個軟件解算的GPS單系統(tǒng)和GRCE多系統(tǒng)ZTD差值絕大部分小于2 cm，與IGS發(fā)布的ZTD具有很高的一致性，均能滿足ZTD精度要求，GAMP相比于PPPH和MG-APP解算的ZTD穩(wěn)定性略高。

圖4 3個軟件解算的AREG站ZTD差值時間序列Fig.4 Time series of ZTD difference values of AREG station calculated by three software

圖5 3個軟件解算的YEL2站ZTD差值時間序列Fig.5 Time series of ZTD difference values of YEL2 station calculated by three software

3 結(jié) 語

通過比較分析PPPH、MG-APP、GAMP三種多系統(tǒng)開源PPP軟件的性能，從軟件特性、定位精度、收斂時間、對流層延遲等多個方面進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

1)3種軟件均能在多種操作系統(tǒng)下運行，且能支持多種衛(wèi)星系統(tǒng)，可極大地方便用戶使用，MG-APP和GAMP相比于PPPH在數(shù)據(jù)處理策略和改正模型上更豐富。

2)3個軟件解算的GRCE多系統(tǒng)的定位精度和收斂時間相比于GPS單系統(tǒng)均有所改善，MG-APP和GAMP解算的定位精度相當(dāng)而PPPH略差。3個軟件解算的GPS和GRCE靜態(tài)精密單點定位在平面上優(yōu)于1 cm，高程上優(yōu)于2 cm；GPS動態(tài)精密單點定位在平面上優(yōu)于2 cm，高程上優(yōu)于5 cm；3個軟件解算的GRCE動態(tài)精密單點定位在平面上優(yōu)于2 cm，高程上優(yōu)于3 cm。MG-APP相比于PPPH和GAMP收斂時間更短，PPPH、MG-APP、GAMP解算的GRCE多系統(tǒng)收斂時間比GPS單系統(tǒng)分別改善約38.7%、40.2%、39.7%，極大地縮短了定位的收斂時間。

3)3個軟件解算的ZTD與IGS發(fā)布的ZTD具有很高一致性，均能滿足ZTD精度要求，GAMP相比于PPPH和MG-APP解算的ZTD穩(wěn)定性略高。