GNSS在线PPP数据处理系统性能分析

周要宗，匡翠林，刘紫平，何芮瑶

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083；2.湖南省测绘科技研究所，长沙 410007)

0 引言

全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)高精度数据处理需高精度数据处理软件作支撑。常用的高精度数据处理软件BERNESE、GAMIT、EPOS、GIPSY、NAPEOS和PANDA等需引入多项改正[1]，操作难度大，要求数据处理人员掌握扎实的专业知识，这使得GNSS高精度数据处理在科研领域应用广泛，而工程领域望而却步。随着计算机技术和互联网技术的高速发展[2]，信息和成果共享越来越方便，GNSS在线数据处理系统应运而生。GNSS在线数据处理系统是互联网+高精度数据处理的产物，它的出现打破了高精度数据处理软件对高精度数据处理应用的限制。GNSS在线数据处理系统只需用户通过WEB页面或文件传输协议(file transfer protocol，FTP)服务器上传待解算观测文件，系统后台会自动进行高精度数据处理，并通过E-mail将解算结果发送到用户邮箱，操作简单、方便快捷[3]。国外已经有多个较成熟的GNSS在线数据处理系统，可以按照数据处理模式的不同对其进行归类，结果如表1所示。

表1 现有GNSS在线数据处理系统归类[4-6]

已有不少学者对GNSS在线数据处理系统的稳定性、可操作性、适宜条件及数据处理结果的精度和可靠性进行了分析[7-9]。近些年随着GNSS高精度数据处理技术的快速发展，各GNSS在线数据处理系统都有不同程度的升级，定位性能显著提高[10]；有必要重新评估现有GNSS在线数据处理系统的性能。

本文选取18个全球均匀分布的国际GNSS服务(International GNSS Service，IGS)站的GNSS观测数据，对4个常用的GNSS在线精密单点定位(precise point positioning，PPP)数据处理系统APPS、CSRS-PPP、GAPS和magicGNSS的性能进行评估。

1 4个GNSS在线PPP数据处理系统

目前国内外常用的GNSS在线PPP数据处理系统主要有4个，分别是APPS、CSRS-PPP、GAPS和magicGNSS。这4个系统都可免费向全球用户提供动静态位置服务，具体每个系统的概况和特点如下[11-14]：

自动精密定位服务(automatic precise positioning service，APPS)是由美国喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)开发的一个全球定位系统(global positioning system，GPS)在线PPP数据处理系统。该系统后台软件平台为GIPSY 6.4，采用JPL提供的一些国际最先进的GPS定位技术，支持RINEX2、RINEX2.11输入文件和GIPSY TDP文件，可对GPS接收机进行实时或事后高精度动态或静态定位。APPS系统对用户注册无明确要求，注册用户可进行静态和动态定位，未注册用户只能进行静态定位。APPS系统允许用户通过WEB界面、E-mail或FTP服务器上传采样率低于1 s的观测文件，解算结果包括国际地球参考框架(international terrestrial reference frame，ITRF)2008坐标文件、GIPSY解算文件和其他辅助文件。

加拿大空间参考PPP系统(Canadian spatial reference system-PPP，CSRS-PPP)是加拿大国有资源部大地测量司提供的GNSS在线PPP数据处理系统，目前支持双卫星系统和单双频数据处理，可处理GPS和俄罗斯格洛纳斯(global navigation satellite system，GLONASS)数据。该系统后台软件平台为CSRS-PPP V1.05，要求用户注册，对RINEX文件版本无明确限制，用户只须提交RINEX文件或其压缩格式文件，选择数据处理方式和坐标参考框架，提供E-mail地址即可，系统会自动把解算结果反馈给用户。系统解算结果包括北美基准(North American datum，NAD)1983或ITRF坐标及精度、整周模糊度、接收机钟差估计信息、对流层延迟和载波相位残差信息等。

GPS分析与定位软件(GPS analysis and positioning software，GAPS)是由加拿大新伯伦瑞克大学研发的1个GNSS在线PPP数据处理系统，目前支持3个卫星系统的数据处理，这些GNSS系统包括北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)、GPS及伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)。该系统后台软件平台为GAPS V6.0.0，无需用户注册，支持REINEX2和REINEX3格式观测文件，定位解算结果参考框架可在ITRF和欧洲地球参考框架(European terrestrial reference frame，ETRF)之间选择。除定位服务外，该系统也可为用户提供电离层延迟、接收机钟差、多路径误差等方面的服务。

magic精密单点定位解算服务(magic precise point positioning solution，magicGNSS)是由西班牙GMV公司维护的一个GNSS在线PPP数据处理系统，目前支持GPS、GLONASS及Galileo系统数据处理。该系统后台软件平台为NAPEOS，需用户注册，支持RINEX2和RINEX3格式观测数据，用户需通过E-mail上传解算文件，解算结果包括ITRF08坐标、天顶对流层延迟(zenith tropospheric delays，ZTD)、接收机钟差和载波相位残差信息等。

2 在线PPP系统动态定位精度评估

选取湖北武汉JFNG站2017年年积日第90天、采样率为30 s的GNSS观测数据，分别提交至APPS、CSRS-PPP、GAPS和magicGNSS系统进行动态定位解算，得到各系统JFNG站三维坐标时间序列。为更直观地表达结果，将各系统解算坐标与IGS参考值求差，并将差值转换至N(北)、E(东)、U(高程)方向进行对比，结果如图1和表2所示。图1中，APPS和magicGNSS系统解算间隔为300 s，CSRS-PPP和GAPS系统解算间隔为30 s；APPS系统要求待上传观测文件小于10 MB，因此只上传了22 h的观测文件；GAPS系统动态定位有明显收敛时间，收敛时间约为40 min，其他3个系统采用前后双向滤波算法，没有明显收敛时间，GAPS系统动态定位结果均方根(root mean square，RMS)指的是收敛后计算得到的RMS。

表2 4个在线PPP系统动态定位偏差RMS对比 cm

图1 4个在线PPP系统动态定位偏差对比

由图1和表2可知，4个在线PPP系统动态定位偏差在厘米量级，N方向和E方向偏差明显小于U方向。4个在线PPP系统动态定位偏差有所不同，CSRS-PPP系统N方向定位偏差RMS最小，约为0.89 cm；APPS系统E方向定位偏差RMS最小，约为1.03 cm；GAPS系统U方向定位偏差RMS最小，约为2.37 cm。

3 在线PPP系统静态定位性能分析

3.1 时段长度对4个在线PPP系统静态定位的影响

利用GFZRNX软件将JFNG站2017年年积日第90天的GNSS数据分割成1、2、…、24 h的时段观测数据，分别上传至4个在线PPP系统进行解算，以分析时段长度对4个在线PPP系统静态定位的影响，得到如图2所示的结果。图2中，APPS系统所上传时段观测数据的最大时段长度为22 h。

图2 时段长度对4个在线PPP系统静态定位影响的对比

由图2可知：时段长度从0增加到2 h时，4个在线PPP系统静态定位偏差均明显变小；时段长度大于2 h后，4个在线PPP系统静态定位偏差逐渐趋于稳定；尤其当时段长度大于等于12 h后，4个在线PPP系统静态定位偏差几乎保持不变，N方向约为0～2 cm，E方向约为0～1.5 cm，U方向最差，约为0～3.5 cm。同时，各PPP在线系统静态定位偏差之间存在差异性，APPS和CSRS-PPP系统N方向定位偏差相对较小，约为0～1 cm；APPS和magicGNSS系统E方向定位偏差相对较小，约为0～1 cm；CSRS-PPP和GAPS系统U方向定位偏差相对较小，约为0～1.5 cm。

3.2 4个在线PPP系统静态定位结果对比

选取18个全球均匀分布IGS站点2017年年积日第90天的GNSS数据，并从IGS获取各站点坐标参考值，所选站点分布如图3所示。

图3 实验数据站点分布

图3中横轴表示经度，纵轴表示纬度。用GFZRNX软件将各站点单天数据切分成前12 和后12 h 2段，分别提交各选定站点前12和后12 h数据至4个在线PPP系统进行静态定位解算，得到各在线系统前、后12 h静态定位解算坐标。通过比较前12 h解算坐标与坐标参考值之差来分析4个PPP在线系统静态定位的精度，分析结果如图4所示。通过对比前、后12 h解算坐标之差来评估4个PPP在线系统静态定位的稳定性，对比结果如图5所示。

图4中，测站点填充颜色表示4个在线PPP系统静态定位U方向偏差的大小，箭头长度代表N、E方向偏差大小，每幅子图左下角3个箭头分别表示N、E方向偏差为15、10和5 mm，可以依此确定各测站N、E方向偏差的具体数值。图4结果表明，不同在线系统、不同测站的静态定位结果存在明显差异，CSRS-PPP系统静态定位N、E方向偏差最小，APPS系统静态定位U方向偏差最小，GAPS和magicGNSS系统静态定位偏差相对较大。APPS系统所有站点静态定位N、E方向偏差小于2，U方向偏差小于1.5 cm，整体静态定位结果最好；CSRS-PPP系统所有站点静态定位N、E方向偏差小于1.5，绝大多数测站(除SCTB站)U方向偏差小于2 cm，整体静态定位结果稍次于APPS；GAPS系统静态定位偏差与测站地理纬度相关，近极地或极地区域测站(YEL2、METG、TIXI、SYOG、SCTB)定位偏差相对较大，N、E方向最大超过8，U方向最大可达5.6 cm，而中低纬度区域测站定位偏差相对较小，N、E方向小于2，U方向小于3 cm；magicGNSS系统多数测站静态定位偏差偏大，N、E方向约为1～3，U方向约为1～4 cm，整体静态定位结果相对较差。

图4 4个在线PPP系统静态定位结果比较

图5 4个在线PPP系统静态定位稳定性比较

图5结果表明，不同在线系统、不同测站静态定位稳定性有所不同。CSRS-PPP系统静态定位稳定性偏差最小，约为0～2 cm；APPS系统静态定位稳定性偏差次之，大小约为0～3 cm；magicGNSS系统静态定位稳定性偏差较大，最大可达4.5 cm；GAPS系统静态定位稳定性偏差最大，达到12 cm。同样值得注意的是，GAPS系统METG、SYOG、TIXI及YEL2站的静态定位稳定性偏差比其他测站明显偏大，而这4个测站都位于极地或近极地区域。

4 结束语

本文介绍了4个常用GNSS在线PPP数据处理系统的发展现状和特点，并通过JFNG站动态定位数据处理，分析了4个PPP在线系统动态定位的精度，最后通过对比处理18个IGS站点的GNSS数据详细探讨了4个在线PPP系统静态定位的精度和稳定性，得出以下结论：

1)4个在线PPP系统动态定位精度为厘米级，N方向和E方向明显优于U方向，APPS和CSRS-PPP系统优于GAPS和magicGNSS系统。

2)时段长度由0增加至2 h时，4个在线PPP系统静态定位精度明显提高，当时段长度大于等于12 h后，4个PPP在线系统静态定位精度几乎保持不变。

3)不同在线系统、不同测站的静态定位结果存在一些差异。APPS系统静态定位结果最好，CSRS-PPP系统静态定位结果稍次，中低纬度区域测站GAPS系统静态定位结果相对较好，magicGNSS系统静态定位结果整体偏差。

4)不同在线系统、不同测站的静态定位稳定性有所不同，CSRS-PPP系统静态定位稳定性最好，APPS系统稍差，magicGNSS系统较差，GAPS系统最差。

综合以上结论，对于有厘米级或毫米级PPP定位需求的用户，建议提交时段长度不小于12 h的GNSS数据至APPS或CSRS-PPP系统进行数据处理。