三種在線GPS精密單點定位軟件的精度比較①

夏朋飛，蔡昌盛，陳必焰

（中南大學(xué) 測繪與國土信息工程系，湖南 長沙410083）

0 引 言

精密單點定位（PPP）是利用非差的雙頻載波相位觀測值和精密衛(wèi)星軌道以及鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度定位的一種單點定位技術(shù)［1]。它和差分定位模型是GPS高精度定位的兩種主要模式。與差分定位相比，精密單點定位具有可用觀測值多、測站間無距離限制、操作簡便、數(shù)據(jù)處理簡單等優(yōu)點［2]。此外，精密單點定位具備傳統(tǒng)單點定位和差分定位兩者的優(yōu)點，它可實現(xiàn)以往只能使用差分定位模式才能達(dá)到的精度［3]。

為了科學(xué)研究與實際應(yīng)用的方便，國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了精密單點定位數(shù)據(jù)處理軟件，如：美國JPL的GIPSY軟件和APPS－PPP軟件、瑞士伯爾尼大學(xué)研制的BERNESE軟件、德國地學(xué)研究中心（GFZ）研制的EPOS軟件、加拿大國有資源局的CSRS－PPP和加拿大新不倫瑞克大學(xué)的GAPS－PPP軟件、武漢大學(xué)的PANDA 和 TRIP軟件等。這些軟件均包括了精密單點定位技術(shù)數(shù)據(jù)處理功能［4]。其中，加拿大的CSRS－PPP、GAPS－PPP和美國的APPS－PPP三種軟件可為用戶提供免費的在線服務(wù)，而這三種在線軟件精度如何是精密單點定位用戶普遍關(guān)心的問題。通過處理多個IGS跟蹤站的數(shù)據(jù)對這三種精密單點定位軟件進(jìn)行了精度評估。

根據(jù)太陽11年的活動周期可知，太陽活動高峰年即將來臨，而在高峰年易爆發(fā)太陽耀斑。太陽耀斑的爆發(fā)會引起強(qiáng)烈的磁暴，使得GPS接收機(jī)信號質(zhì)量降低，進(jìn)而對GPS觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量產(chǎn)生影響［5]。由于精密單點定位通過電離層觀測值組合僅能消除電離層誤差一階項的影響，在太陽活動活躍期殘留的高階電離層誤差是否會影響精密單點定位的精度，也是需要探討的問題。

1 三種在線精密單點定位軟件

APPS－PPP、CSRS－PPP和 GAPS－PPP這三種PPP在線處理軟件，可以通過在線PPP服務(wù)網(wǎng)站［6]進(jìn)入。

APPS－PPP軟件是由美國噴氣推進(jìn)實驗室研制的一種在線單點定位處理軟件。該軟件支持RINEX 2.0和RINEX2.11兩種輸入文件，但是文件的大小不能超過5MB，否則該軟件不能進(jìn)行處理。用戶只需要直接提交觀測文件，軟件就能在線處理。APPS－PPP軟件對觀測文件處理的比較快，處理后的結(jié)果可以直接從該服務(wù)網(wǎng)站上下載，該結(jié)果包括了估計的直角坐標(biāo)和大地坐標(biāo)等信息［7]。

CSRS－PPP軟件是由加拿大國有資源局下屬的大地測量部門提供的GPS在線單點定位服務(wù)軟件。CSRS－PPP軟件在使用前需要注冊，其用戶名為用戶的郵箱地址，密碼任意設(shè)置。申請用戶名通過后，可以進(jìn)入該軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該軟件可以處理靜態(tài)和動態(tài)的數(shù)據(jù)，并且有NAD83（CSRS）和ITRF兩種參考系供選擇。該軟件的處理結(jié)果會發(fā)送到郵箱，反饋給用戶的有詳細(xì)的坐標(biāo)解及精度、接收機(jī)鐘差估計信息、對流層延遲、整周模糊度等信息［7－8]。

GAPS－PPP軟件是由加拿大新不倫瑞克大學(xué)提供、僅僅以研究為目的的在線單點定位服務(wù)軟件，該軟件不需要注冊，用戶只需要提交RINEX格式數(shù)據(jù)或其壓縮形式的靜態(tài)或動態(tài)觀測數(shù)據(jù)文件。用戶需要輸入自己的郵箱地址并進(jìn)行提交。處理的結(jié)果將發(fā)送到用戶的郵箱。該在線處理軟件能為用戶提供該點的大地坐標(biāo)、整周模糊度、測站鐘估值、衛(wèi)星的載波相位殘差以及偽距殘差等信息［7]。

2 數(shù)據(jù)處理及分析

選擇不同緯度地區(qū)的IGS測站、不同級別的太陽耀斑的觀測數(shù)據(jù)分別通過三種軟件進(jìn)行試算，以評價三種在線軟件的處理精度。

2.1 使用不同緯度區(qū)域的IGS站觀測數(shù)據(jù)

不同緯度地區(qū)將受到不同的電離層延遲、對流層延遲、地球自轉(zhuǎn)及地球固體潮誤差的影響，而這些誤差將會影響精密單點定位的結(jié)果。為了測試三種在線PPP軟件，選取全球IGS站上不同地區(qū)的一些測站數(shù)據(jù)分別通過三種軟件進(jìn)行試算。選取的不同區(qū)域的IGS測站位置如圖1所示。所采用的測站在圖1中給出了測站名。通過在IGS網(wǎng)站上下載所選測站的一天的數(shù)據(jù)分別通過三種在線軟件進(jìn)行試算，然后將這三種精密單點定位軟件計算的定位結(jié)果與IGS提供的測站精密坐標(biāo)進(jìn)行比較以獲得定位誤差，其結(jié)果如圖2所示。

圖1 所選取的不同區(qū)域的IGS測站

圖2 三種在線軟件處理不同區(qū)域IGS測站數(shù)據(jù)的結(jié)果

由圖2可以看出，APPS－PPP軟件、GAPSPPP軟件和CSRS－PPP軟件得到的精密單點定位的結(jié)果，其誤差在三個坐標(biāo)方向上都在±5cm之內(nèi)，少數(shù)測站在某坐標(biāo)方向上誤差超過了5cm，從CSRS－PPP軟件的結(jié)果圖中可以更明顯的看出。對三種在線處理軟件的定位誤差結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計計算獲得了E、N、U三個方向上的中誤差值，如表1所示。

表1 三種軟件計算的中誤差

由表1可以看出，三種在線軟件計算的結(jié)果在E方向的最大誤差不超過3.5cm，N方向的最大誤差也是不超過3cm，U方向的最大誤差不超過2 cm.三種軟件在E、N、U三個方向的計算結(jié)果互差不超過1.5cm.CSRS軟件的處理結(jié)果相對于APPS與GAPS軟件的處理結(jié)果較差，但是由圖2可以看出，大部分情況下，CSRS軟件處理的結(jié)果都是比較理想的，只有個別測站，處理的結(jié)果不是很好。故可知對于大部分的測站，三種在線軟件的處理結(jié)果的精度很接近，但是只在個別的測站上，GSRS軟件處理能力不及APPS軟件和GAPS軟件。

2.2 使用太陽耀斑期間的觀測數(shù)據(jù)

太陽耀斑引起強(qiáng)磁暴，對地球空間環(huán)境造成很大的影響。由于強(qiáng)磁暴的發(fā)生，會導(dǎo)致電離層的電子密度增加，無線電信號的延遲也會隨著發(fā)生改變［9]，因此，電離層磁暴會造成GPS更大的測距誤差并影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量［10]。在進(jìn)行精密單點定位時，通過雙頻觀測數(shù)據(jù)間的消電離層組合消除了電離層一階誤差［11]，但由于太陽耀斑期間殘留的電離層高階誤差會增加，為了分析其對精密單點定位產(chǎn)生影響，我們選擇了不同級別的太陽耀斑發(fā)生時的GPS觀測數(shù)據(jù)分別利用該三種在線軟件進(jìn)行試算。表2中列出了2000年到2006年期間發(fā)生的不同等級的太陽耀斑的時間、發(fā)生耀斑的經(jīng)緯度以及地磁Kp的日平均值。

表2 選擇的不同等級的太陽耀斑

根據(jù)表2中太陽耀斑發(fā)生的日期，從IGS中心FTP服務(wù)器上下載符合上述日期并于日面經(jīng)緯度靠近的IGS測站的GPS觀測數(shù)據(jù)（24小時），分別利用三種在線軟件進(jìn)行試算，將計算的坐標(biāo)值與IGS提供的參考坐標(biāo)作差并轉(zhuǎn)換至測站坐標(biāo)E、N、U方向，其獲得的誤差結(jié)果由圖3所示。

圖3 不同等級太陽耀斑下三種在線PPP軟件的試算結(jié)果

圖3中，橫軸的序列是按照表2中日期的順序而排列的?？梢钥闯觯谔栆咂陂g，APPSPPP 、CSRS－PPP和 GAPS－PPP軟件單天解的定位誤差在E、N、U方向上均小于5cm，除了數(shù)據(jù)序列2在N方向上的位置誤差。根據(jù)三種軟件計算的結(jié)果分別計算出E、N、U方向的中誤差，如表3所示。

表3 三種軟件計算的中誤差

根據(jù)中誤差計算的結(jié)果，可以看出，三種軟件計算的單點定位的精度在E方向的中誤差不超過2cm，在N方向不超過2cm，在U方向不超過3.5 cm.三種軟件在E、N方向的中誤差的互差小于1 cm，而在U方向上三種軟件的中誤差互差小于1.5cm.

需要說明的是：三種PPP在線處理軟件的解算結(jié)果是在ITRF框架下的三維坐標(biāo)，如果用戶需要的是地方（局部）平面和高程坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)，需要由在線軟件得到的結(jié)果再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到用戶所需要的坐標(biāo)。

在GPS數(shù)據(jù)處理過程中，有些數(shù)據(jù)由于外界的因素（如太陽耀斑）的影響，使得觀測數(shù)據(jù)可能存在大量周跳甚至存在粗差。根據(jù)大量測試計算，發(fā)現(xiàn)CSRS－PPP和APPS－PPP軟件具有很好的預(yù)處理功能。而GAPS－PPP軟件處理效果在一定程度上依賴于觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。如在處理太陽耀斑期間2000年11月25號ROGE測站的數(shù)據(jù)時，用CSRS－PPP、APPS－PPP兩種軟件都能達(dá)到cm 級的定位精度，而用GAPS－PPP軟件計算出來的位置坐標(biāo)X、Y、Z三個方向的值與參考坐標(biāo)之差分別達(dá)到了－1.635m、－2.949m 和2.494m.因此，對于GAPS－PPP軟件在數(shù)據(jù)處理前，必須認(rèn)真仔細(xì)地做好數(shù)據(jù)的編輯和質(zhì)量檢核工作，來剔除掉不好的數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 論

通過對不同觀測條件下的GPS觀測數(shù)據(jù)采用三種 在 線 PPP 軟 件 APPS－PPP、CSRS－PPP 和GAPS－PPP進(jìn)行處理可知，三種軟件在處理精度上具有一致性，在單個坐標(biāo)方向上最大互差不超過1.6cm.三種軟件單天解精度在三個坐標(biāo)方向上均優(yōu)于3.5cm.利用太陽耀斑期間的數(shù)據(jù)計算表明，精密單點定位精度并沒有受到明顯的影響，這主要是由于精密單點定位采用了消電離層組合的觀測模型，而殘留的高階電離層誤差對精密單點定位精度的影響不顯著。三種在線處理軟件都能處理動態(tài)數(shù)據(jù)，動態(tài)精密單點定位精度的評估將是下一步需要研究的內(nèi)容。

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