高 攀,郭 斐,呂翠仙,唐 龍

(武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,湖北 武漢430079)

0 引 言

精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning,簡(jiǎn)稱PPP)指的是利用單臺(tái)GNSS接收機(jī)采集的偽距和載波相位觀測(cè)值以及由IGS等組織提供的精密衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品,綜合對(duì)各項(xiàng)誤差進(jìn)行改正來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的定位技術(shù)[1]。目前,隨著PPP技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少科研機(jī)構(gòu)相繼推出了自己的在線網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù),這些服務(wù)大部分都面向全球用戶免費(fèi)開(kāi)放。普通用戶只需按其協(xié)議,將接收機(jī)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并壓縮成標(biāo)準(zhǔn)的RINEX格式上傳至在線定位服務(wù)系統(tǒng),系統(tǒng)便會(huì)在較短(解算完畢)的時(shí)間內(nèi)將定位結(jié)果以郵件形式發(fā)送給用戶,方便了GPS用戶的內(nèi)業(yè)處理,同時(shí)也降低了作業(yè)成本[2]。這些在線服務(wù)系統(tǒng)的出現(xiàn)將在GPS差分參考站和GPS控制點(diǎn)的建設(shè)、偏遠(yuǎn)地區(qū)GPS基站的建立、超長(zhǎng)基線測(cè)量、GPS高程測(cè)量和GPS控制網(wǎng)解算等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。首先對(duì)GNSS在線PPP服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹,并著重針對(duì)當(dāng)前比較成熟的四款在線PPP服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行了比較,采用若干IGS跟蹤站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行PPP解算,比較分析了各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力及其精度狀況。

1 PPP在線定位服務(wù)

PPP在線定位服務(wù)系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和精密單點(diǎn)定位技術(shù)結(jié)合到一起,可以全天候自動(dòng)為用戶提供高精度的PPP定位服務(wù)。用戶只需要登陸相應(yīng)網(wǎng)站,將觀測(cè)數(shù)據(jù)上傳到指定的服務(wù)器,系統(tǒng)便自動(dòng)下載相應(yīng)的精密星歷和精密鐘差自動(dòng)解算,并將最終定位結(jié)果以郵件的形式反饋給用戶。其服務(wù)流程如圖1所示[4-5]。這種無(wú)需基準(zhǔn)站同步觀測(cè)的在線PPP技術(shù),不但降低了成本,而且使外業(yè)操作更加靈活。這一模式使得普通用戶能夠方便快捷的使用精密單點(diǎn)定位服務(wù),有利于PPP技術(shù)的推廣。

圖1 在線PPP服務(wù)流程

PPP在線定位服務(wù)是一種重要的數(shù)據(jù)處理手段。GPS用戶可以通過(guò)使用在線PPP技術(shù)能夠獲取任一測(cè)點(diǎn)在全球框架下的精確位置、對(duì)流層延遲等信息。目前全球主要有四大在線PPP服務(wù)系統(tǒng),分別是加拿大自然資源部的CSRS-PPP、加拿大新伯倫瑞克大學(xué)的GAPS、美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的APPS以及西班牙GMV公司的magicGNSS。下面分別加以簡(jiǎn)要介紹:

1)CSRS-PPP是加拿大自然資源部(NRCan-Natural Resources Canada)大地測(cè)量部2003年10月開(kāi)發(fā)了一套免費(fèi)的后處理在線定位服務(wù)系統(tǒng),方便GPS用戶獲取加拿大空間參考系統(tǒng)(CSRS)坐標(biāo)。

2)GAPS(GPS Analysis and Positioning Software)是由加拿大新伯倫瑞克大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)在線定位服務(wù)系統(tǒng),盡管該系統(tǒng)主要是為定位服務(wù)的,但也可以為廣大用戶在電離層延遲估計(jì)偏差、衛(wèi)星鐘差、多路徑誤差方面提供免費(fèi)服務(wù)。

3)APPS(Automatic Precise Positioning Service)是由美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory-JPL)開(kāi)發(fā)的一個(gè)在線PPP服務(wù)系統(tǒng),該系統(tǒng)采用JPL提供的一些國(guó)際最先進(jìn)的GPS定位技術(shù),接收GPS觀測(cè)文件,對(duì)GPS接收機(jī)進(jìn)行高精度動(dòng)態(tài)或靜態(tài)定位,APPS支持 RINEX2、RINEX2.11輸入文件,GIPSY TDP文件。該系統(tǒng)提供以下四方面服務(wù):①實(shí)時(shí)GPS衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品;②每日及每周的高精度GPS軌道和鐘差產(chǎn)品;③處理GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的GIPSY-OASIS軟件。④免費(fèi)提供AutoGIPSY(AG)服務(wù),靜態(tài)后處理服務(wù)。

4)magicGNSS是由西班牙GMV公司維護(hù)的一個(gè)在線精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)處理GPS和GLONASS的RINEX格式的數(shù)據(jù),目前該系統(tǒng)僅支持雙頻PPP[6]。

2 PPP在線定位精度比較與分析

2.1 數(shù)據(jù)獲取

隨機(jī)選取2011年3月1日(年積日DOY 060)中國(guó)、美國(guó)、歐洲以及非洲境內(nèi)四個(gè)IGS跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)模擬動(dòng)態(tài)解算。四個(gè)跟蹤站分別是WUHN、BRUS、NIST和WIND。這四個(gè)跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)從IGS網(wǎng)站上獲取,并從SOPAC網(wǎng)站獲取了四個(gè)跟蹤站的精確坐標(biāo),將其作為后續(xù)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)解算的參考真值。

2.2 處理策略

由于各PPP在線服務(wù)系統(tǒng)是由不同的機(jī)構(gòu)所維護(hù),在數(shù)據(jù)處理中所采用的數(shù)據(jù)處理策略有所不同,如表1所示。

表1 各PPP在線服務(wù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理策略

2.3 動(dòng)態(tài)結(jié)果比較

處理BRUS、WUHN、NIST和WIND四個(gè)IGS測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)得到了各個(gè)測(cè)站隨時(shí)間變化的三維坐標(biāo)序列,為了使結(jié)果更直觀,將四個(gè)在線處理軟件解算得到的坐標(biāo)與參考真值進(jìn)行求差,并將其差值轉(zhuǎn)換至N(北)、E(東)、U(高)方向進(jìn)行比較。值得注意的是,APPS解算得到的是天線相位中心的位置,并非參考點(diǎn)的坐標(biāo),其余三款軟件解算的結(jié)果則是基于地面參考點(diǎn)的坐標(biāo)。因此,若直接進(jìn)行比較,APPS對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)在U方向有較大的系統(tǒng)偏差。為方便比較,首先將APPS定位的結(jié)果統(tǒng)一至地面參考點(diǎn)(扣除其天線高及天線偏心),繪制各在線處理軟件解算偏差(dN、dE、dU)的時(shí)序圖,限于篇幅,在此僅列出NIST和WUHN跟蹤站的誤差時(shí)序圖,如圖2所示。

圖2中從上至下依次為APPS、CSRS、GAPS和magicGNSS的處理結(jié)果。分析圖2可以看出,APPS解算的結(jié)果比較稀疏,其解算頻率僅為5 min間隔,而其余三款軟件則是根據(jù)用戶所提供的原始觀測(cè)文件的采樣率逐歷元解算。從偏差均值來(lái)看,采用靜態(tài)模擬動(dòng)態(tài)方式,幾乎所有軟件在平面與高程方向均能滿足cm級(jí)的定位精度;從標(biāo)準(zhǔn)差角度,不同軟件解算的結(jié)果差異較大,其中GAPS解算結(jié)果N、E、U方向的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到1～2 dm,CSRS與magicGNSS解算結(jié)果相對(duì)較好,其標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于1 dm。總體而言,采用上述四款在線PPP處理軟件均能夠?qū)崿F(xiàn)1～2 dm的動(dòng)態(tài)定位精度。

類似地,圖3中的時(shí)序圖是跟蹤站W(wǎng)UHN分別用APPS、CSRS、GAPS和magicGNSS的處理結(jié)果,圖中顯示,采用APPS解算結(jié)果偏差相對(duì)較小,在平面方向上偏差在1 cm左右,GAPS解算結(jié)果相對(duì)較差;從標(biāo)準(zhǔn)差角度來(lái)看,除了GAPS解算結(jié)果在高程方向(U方向)超過(guò)1 dm,其他軟件解算結(jié)果在N、E、U方向均優(yōu)于1 dm.

圖3 WUHN跟蹤站用四大在線PPP系統(tǒng)動(dòng)態(tài)解算結(jié)果與坐標(biāo)真值在N、E、U方向的差值

2.4 靜態(tài)結(jié)果比較

為了進(jìn)一步分析 APPS、GAPS、CSRS以及magicGNSS四個(gè)在線PPP服務(wù)的精度,我們隨機(jī)選取了BRUS、NIST兩個(gè)IGS跟蹤站2009年1-12月的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了靜態(tài)解算,隨機(jī)選取每一個(gè)月的第18天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)解算。同理,將靜態(tài)解算結(jié)果轉(zhuǎn)換至N、E、U方向上,得到兩個(gè)跟蹤站在N、E、U方向隨時(shí)間變化的坐標(biāo)差dN、dE、dU的時(shí)序圖,如圖4～圖9所示。

圖4～圖9顯示,用CSRS處理 BRUS和NIST這兩個(gè)跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),絕大部分的數(shù)據(jù)處理結(jié)果都相當(dāng)好,N、E、U三個(gè)方向的偏差均在5 cm以內(nèi),而少數(shù)時(shí)段的處理結(jié)果較差,其偏差達(dá)到了0.5 dm左右。究其原因,這可能是由于軟件本身對(duì)數(shù)據(jù)粗差的抵抗能力較差所致。除CSRS之外,其余三款在線PPP軟件靜態(tài)定位的精度在平面方向?yàn)?～3 cm,高程方向優(yōu)于5 cm.至于圖中測(cè)站各方向的定位偏差呈系統(tǒng)性偏差和一定的趨勢(shì)項(xiàng),尤其是圖6、圖7最為明顯,這主要是因?yàn)榻馑銜r(shí)間跨度較大(一年),而選擇的參考坐標(biāo)是基于某一固定的歷元時(shí)刻,而測(cè)站所處板塊的運(yùn)動(dòng)使得其參考坐標(biāo)并非固定不變。

對(duì)圖4～圖9中的定位結(jié)果進(jìn)行均方差統(tǒng)計(jì),得到各在線PPP處理軟件靜態(tài)精密單點(diǎn)定位的精度如表2～3所示。

表2 靜態(tài)模式下BRUS跟蹤站在N、E、U方向上精度/m

表3 靜態(tài)模式下NIST跟蹤站在N、E、U方向上精度/m

從表2和表3可以看出,在靜態(tài)模式下四個(gè)在線PPP服務(wù)系統(tǒng)均具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力及較高的定位精度,可以滿足一般工程測(cè)量等應(yīng)用需求。

3 結(jié) 論

比較分析了APPS、GAPS、magicGNSS以及CSRS四款在線PPP處理軟件的數(shù)據(jù)處理能力及精度,結(jié)果表明,利用不同軟件處理相同的數(shù)據(jù),其處理能力與精度有所差異,這主要是由于不同軟件所采用的定位算法及處理策略不一致。但總體而言,四大在線PPP軟件在靜態(tài)、靜態(tài)模擬動(dòng)態(tài)的方式下均具有較高的數(shù)據(jù)處理能力和較高的定位精度,可以滿足一般工程測(cè)量等應(yīng)用需求。此外,定位精度的高低取決于GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)、IGS軌道、鐘差等產(chǎn)品的質(zhì)量以及處理軟件所采用的算法優(yōu)劣。因此,用戶可根據(jù)精度需要及實(shí)際作業(yè)條件選擇合適的在線PPP服務(wù)系統(tǒng),必要時(shí)還可進(jìn)行相互檢核提高定位結(jié)果的可靠性。

[1] 李征航,張小紅.衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2009.

[2] 徐 瑩,聶桂根,呂喬森.GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的比較與分析[J].測(cè)繪通報(bào),2010(12):30-33.

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[4] Yves M,Pierre T,Franois L,et al.Online precise point positioning a new,timely service from natural resources canada[J].GPS WORLD,2008(9):1-10.

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[6] The Precise Point Positioning Software Centre.Online PPP services[EB/OL].Natural Resources Canada,[2011-02-15].http://magicgnss.gmv.com/ppp.