GPS/GLONASS/GALILEO实时服务(RTS)产品性能评估分析

王 乐，岳 帆，苗 晨

(1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054；2.国家遥感中心，北京 100036)

0 引言

鉴于广播星历和超快速产品的钟差精度均难以满足实时精密单点定位(Real-Time Precise Point Positioning, RT-PPP)的需求，国际GNSS服务组织(International GNSS Service, IGS)于2007年开始实施IGS实时精密单点定位项目，并于2013年正式生成并对外播发状态空间表示(State Space Represen-tation, SSR)格式的实时数据流轨道和钟差改正数[1-3]。用户可以基于广播星历和实时改正产品实时恢复出精密卫星轨道和钟差，进而进行实时精密单点定位。随着技术的发展，提供实时服务(Real-Time Service, RTS)的机构和导航系统越来越多。目前，共有8家权威机构独立提供实时服务，分别是德国联邦制图与大地测量局(Bundesamt für Kartographie und Geodäsie，BKG)、法国空间研究中心(Centre National d’Etudes Spatiales，CNES)、德国航空航天中心(Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt，DLR)、欧洲航天研究操作中心(European Space Agency/Euro-pean Space Operations Centre，ESA/ESOC)、德国波茨坦地学研究中心(German Research Centre for Geosci-ences，GFZ)、西班牙航空航天研究中心(GMV Aerospace and Defense，GMV)、加拿大自然资源部(Natu-ral Resources Canada，NRCan)和中国武汉大学(Wu-han University，WUHAN)[4]。已有学者对实时改正产品的性能进行了研究，夏凤雨等对部分机构播发的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)卫星实时钟差精度进行了分析，并重点对基于SSR改正的GPS实时PPP精度进行了讨论，结果显示其各方向精度优于20cm[5]。赵爽等分析发现CNES的GPS实时产品的完整性基本大于90%，产品精度轨道优于4.5cm，钟差优于0.09ns，静态单天解优于3cm[6]。赵兴旺等利用CNES的实时服务产品，对GPS/GALILEO组合实时定位性能进行了分析研究，结果表明组合实时动态PPP在3个方向的平均精度分别为4.3cm、2.9cm和7cm[7]。张亮等系统地比较和分析了各机构GPS实时服务轨道、钟差产品的精度和服务性能，结果表明，轨道精度为3.8～7.5cm，钟差精度为1.9～5.6cm[8]。汪亮等分析了CNES播发的GPS、GLONASS和GALILEO的实时轨道和钟差精度，其中GPS实时产品精度最高，GLONASS精度最差[9]。刘腾等对5家机构的GPS实时轨道和钟差进行了分析，结果表明，GPS轨道位置精度优于5cm，钟差精度优于0.12ns[10]。但是，上述论文均未对所有机构的各系统产品及定位性能进行完整的评估分析。

目前，上述国际GNSS机构提供的RTS产品解算原理和策略不同，导致产品性能存在一定差异。为了较为全面地揭示RTS产品性能，本文针对各机构RTS产品的完整性、精度及其对实时定位收敛时间和精度等的影响进行了全面的计算、比较、评估和分析，对促进导航系统RTS具有重大参考和应用价值。

由于GFZ的实时产品CLK70和CLK71处于中断状态，本文对其他7个权威机构的实时产品的精度和定位等服务性能进行评估和分析。首先，在相同环境下接收并保存连续一周的各机构RTS产品，并进行完整性统计；然后，利用广播星历和RTS产品，恢复实时精密轨道和钟差，并以GFZ的最终产品为基准，比较分析实时轨道和钟差精度；最后，进行实时PPP解算，评估目前基于RTS产品的RT-PPP的定位性能。

1 RTS产品完整性统计分析

各机构RTS产品及卫星系统如表1所示。由于BDS广播星历数据龄期(Issue of Data, IOD)与RTS产品无法匹配，故本文未对BDS卫星实时改正数进行恢复，仅对GPS、GLONASS和GALILEO 三大卫星导航系统的RTS产品进行进一步分析和讨论。

RTS产品数据流的稳定性，受播发机构、接收软件以及网络速度等多种因素的影响，对实时PPP的服务性能影响极大[11]。本文在相同环境下，利用BNC软件接收了2019年351～357年积日连续7天的SSR信息，首先统计了各机构RTS产品的各天平均历元完整率，如图1所示。

图1 各RTS产品的历元完整率Fig.1 Epoch integrity rate of each RTS product

由图1可知，RTS产品CLK16的整体历元完整率偏低，且各天波动偏大；CLK21和CLK93仅某一天出现波动，完整率较低，其他时段保持完整率较高状态；大部分机构历元完整率几乎都保持在95%以上，最高达到99%。分析原因为影响RTS产品历元完整率的因素有2个：1)由于网络等外界环境，某历元的所有RTS产品均丢失；2)由于改正数未能如期生成及播发，某机构某历元的RTS产品丢失[8]。

为进一步分析不同导航系统RTS产品的完整性，统计了各机构不同导航系统各卫星每天的平均数量，如图2～图4所示。

图2 GPS卫星平均数量Fig.2 Average number of GPS satellites

图3 GLONASS卫星平均数量Fig.3 Average number of GLONASS satellites

图4 GALILEO卫星平均数量Fig.4 Average number of GALILEO satellites

由图2可知，所有机构均可正常提供GPS实时改正数，且GPS卫星个数均达到28颗以上。由图3可知，CLK11、CLK21、CLK16和CLK93可提供正常的GLONASS实时改正数，GLONASS卫星平均可达18颗以上；CLK81连续数天无法提供GLONASS RTS，分析原因为GLONASS改正数未能如期生成及播发，导致RTS产品中无GLONASS参数。由图4可知，CLK21、CLK16和CLK93可提供GALILEO RTS产品，其中CLK21卫星数量最多。由图2～图4可知，CLK93在352天各系统均出现卫星数量减少的情况，与历元完整率具有一致性。同时，不同机构提供不同系统RTS能力存在区别。下面将对各机构的RTS产品性能进行具体分析。

2 RTS产品恢复及精度分析

2.1 实时轨道与钟差产品恢复方法

(1)

RTS产品的轨道改正数是基于轨道坐标系的，而通过广播星历计算的卫星位置是基于地心地固坐标系的。因此，利用轨道改正数对广播星历计算的卫星位置进行改正时，首先要将卫星改正值转化到地心地固坐标系下，假设转换后的卫星改正向量分别为ΔX、ΔY和ΔZ，则有

(2)

假设通过IOD相符和时间最近原则匹配的广播星历计算的卫星位置为(X′，Y′，Z′)，则有

(3)

假设，t0时刻RTS产品的钟差改正系数为C0、C1和C2，t时刻的卫星钟差改正数为ΔC，则有

ΔC=C0+C1(t-t0)+C2(t-t0)2

(4)

通过IOD相符和时间最近原则匹配的广播星历计算的卫星钟差为dt0，t时刻的卫星钟差为dt，则有[12]

(5)

式中，c为光速。

2.2 实时轨道和钟差产品分析

以GFZ提供的最终轨道和钟差产品为基准，对恢复的卫星实时精密轨道和钟差进行精度评定。以R、A、C方向精度和1D RMS作为评定卫星轨道精度的指标。对于钟差，考虑到不同数据处理策略和起算数据引起的系统差，以二次差的RMS和STD作为评定卫星钟差精度的指标。本文具体方法为首先分别选取某颗卫星(G01，R01，E01)作为基准星，各卫星与其做差得到一次差Δt′，然后将一次差和钟差基准的一次差作差得到二次差Δt″，最后计算二次差Δt″的RMS和STD[13]。利用上述理论和方法，分别对各系统各个机构的实时轨道和钟差产品的精度进行计算、统计和分析。

2.2.1 GPS实时产品精度统计及分析

按照上述原理和方法计算了各机构2019年351～357年积日的GPS卫星实时轨道和钟差精度。各机构GPS实时轨道R、A、C方向精度和1D RMS统计如图5和表2所示，实时钟差RMS和STD统计如表3所示。

图5 GPS卫星R、A、C方向实时轨道精度Fig.5 GPS real-time orbit accuracy in the R、A、C directions

由图5及表2可知，统计的所有7个机构均可提供GPS RTS。各机构卫星实时轨道平均精度基本一致，约为3cm。R、A、C方向精度无明显差别，对定位影响最大的R方向平均精度优于或约为2cm。分析原因为GPS卫星运行轨道稳定，利用动力学模型进行轨道预报的原理和方法已非常成熟。因此，GPS卫星高精度实时定轨易于实现，且各机构精度差别不大。

表3 GPS卫星实时钟差平均精度

相比于轨道，各机构之间GPS卫星实时钟差精度差别较大。由表3可知，部分钟差精度RMS优于1ns，STD优于0.2ns。各机构中，CLK81、CLK16、CLK93和CLK50的GPS实时钟差精度较高，CLK11、CLK21和CLK22次之。GPS钟差比轨道实时高精度预报难度大，不同RTS产品性能有区别，实时钟差的性能直接决定了实时用户PNT性能。

2.2.2 GLONASS实时产品精度统计及分析

参考2.2.1节的方法和内容，进行GLONASS实时产品精度统计及分析。图6和表4统计了GLONASS卫星实时轨道精度，表5统计了GLONASS实时钟差精度。

图6 GLONASS卫星R、A、C方向实时轨道精度Fig.6 GLONASS real-time orbit accuracy in the R、A、C directions

表4 GLONASS卫星实时轨道平均精度

由图6及表4可知，5个机构可提供GLONASS实时产品。不考虑R22卫星，除CLK16的几颗卫星轨道精度稍差，绝大部分卫星轨道RMS为亚dm级，径向平均精度约为3cm，虽然低于GPS，但仍然具有较高精度。分析原因为GLONASS卫星的整体性能低于GPS。

表5 GLONASS卫星实时钟差平均精度

由表5可知，GLONASS卫星实时钟差质量整体较差，大部分RMS约为4～5ns，STD约为1～2ns。仅从钟差精度分析，CLK93和CLK81相对精度最高，CLK21和CLK16次之，CLK11最低。

2.2.3 GALILEO实时产品精度统计及分析

GALILEO卫星实时轨道精度统计如图7和表6所示，实时钟差精度统计如表7所示。

图7 GALILEO卫星R、A、C方向实时轨道精度Fig.7 GALILEO real-time orbit accuracy in the R、A、C directions

表6 GALILEO卫星实时轨道平均精度

由图7和表6可知，3个机构可提供GALILEO实时产品。CLK93的平均轨道精度最高，约为5cm，CLK21优于10cm，CLK16精度偏低。产品精度不均匀或部分偏低的原因可能是部分机构采用的卫星参数或动力学模型有待改进或完善。

表7 GALILEO卫星实时钟差平均精度

由表7可知，GALILEO卫星实时钟差精度与GPS基本一致，其中，CLK21和CLK93精度较高，CLK16精度偏低。

3 实时精密单点定位及性能分析

3.1 数据处理策略

采用的数据处理策略如表8所示。

表8 实时精密单点定位数据处理策略

本文利用开源软件BNC进行实时仿动态PPP解算，以E、N、U方向定位误差分别小于20cm、20cm和40cm且连续10min作为收敛条件，从定位精度和收敛时间2个角度分析各机构RTS产品的定位性能[14-15]。实验选取了7个IGS多系统测站如图8所示。

图8 测站分布Fig.8 Distribution of ground monitoring stations

3.2 实时精密单点定位性能分析

3.2.1 单系统实时定位性能分析

限于篇幅，仅以GPS为例，对单系统实时PPP进行统计分析，平均精度和收敛时间统计如表9所示。

表9 GPS实时PPP平均精度和收敛时间

由表9可知，各RTS产品定位的平面精度均优于10cm，U方向精度为dm级，基本优于20cm。可见各机构RTS产品的GPS定位精度均达到较高水平，基本无差别。收敛时间是验证PPP性能的另一重要方面，从收敛时间上看，CLK21和CLK93产品的定位收敛时间最短，约为20min；CLK11、CLK16和CLK50稍长，约为30min；CLK22和CLK81平均收敛时长接近60min。

3.2.2 多系统定位性能分析

以GPS和GALILEO多系统联合实时PPP为例，统计分析了多系统实时PPP性能，平均精度和收敛时间统计如表10所示。

表10 GPS/GALIELO实时PPP平均精度和收敛时间

由表10可知，利用GPS和GALILEO双系统RTS产品进行实时精密定位，各机构平面精度基本优于10cm，U方向精度优于20cm，精度均较高，基本无差别。可见各机构RTS产品的定位精度均达到较高水平，基本无差别。CLK21和CLK93产品的定位平均收敛时间最短，约为10min；CLK16稍长，约为25min。相比于单系统定位，双系统定位精度无明显变化，但是收敛时间明显缩短，收敛速度提升约37.8%。分析原因为，更多卫星的加入，改善了空间几何构型，提升了收敛速度。

4 结论

本文针对国际各权威机构RTS产品性能，对RTS产品完整性、实时轨道钟差精度、实时定位精度和收敛时间进行了全面的数据处理和评估分析，结果表明：

1)正常情况下，各机构RTS产品的历元完整率基本可保持在95%以上，最高可达99%。但是，会出现某机构或某段时间历元完整率偏低的情况。各RTS产品提供的各系统卫星数量充足、稳定，GPS卫星平均数量将近30颗，GLONASS和GALILEO分别约为20颗。但是，仍然会出现异常情况，如某机构某段时间所有卫星数量偏少(CLK93 352天)或某机构某段时间某系统卫星数量偏少(CLK81 353～357天)。

2)所有GNSS RTS机构均能提供GPS实时精密服务，部分可提供GLONASS、GALILEO或BD S RTS。各机构GPS实时轨道精度基本无差别，1D RMS约为3cm。实时钟差精度有较大差别，CLK81、CLK16、CLK93和CLK50精度较高，优于0.2ns。对于GLONASS实时产品，轨道精度为dm，CLK93和CLK81实时钟差STD相对较高，约为1ns。对于GALILEO，轨道精度平均为亚dm级，CLK21实时钟差STD为0.2ns，CLK93为0.32ns。因此，从RTS产品精度分析，GPS实时精密服务性能优于GALILEO，GALILEO优于GLONASS；同时，不同机构提供的RTS产品精度有差别。

3)利用GPS单系统RTS产品进行RT-PPP的精度较高，平面方向优于10cm，高程方向优于20cm，最快收敛时间约为20min。利用GPS和GALILEO多系统进行RT-PPP，精度基本不变，收敛速度有所提高，平均提升约37.8%。综上，多系统RT-PPP在一定程度上可提升定位性能和稳定性。