三种在线GPS精密单点定位软件的精度比较①

夏朋飞，蔡昌盛，陈必焰

（中南大学 测绘与国土信息工程系，湖南 长沙410083）

0 引 言

精密单点定位（PPP）是利用非差的双频载波相位观测值和精密卫星轨道以及钟差数据进行高精度定位的一种单点定位技术［1]。它和差分定位模型是GPS高精度定位的两种主要模式。与差分定位相比，精密单点定位具有可用观测值多、测站间无距离限制、操作简便、数据处理简单等优点［2]。此外，精密单点定位具备传统单点定位和差分定位两者的优点，它可实现以往只能使用差分定位模式才能达到的精度［3]。

为了科学研究与实际应用的方便，国内外一些研究机构开发了精密单点定位数据处理软件，如：美国JPL的GIPSY软件和APPS－PPP软件、瑞士伯尔尼大学研制的BERNESE软件、德国地学研究中心（GFZ）研制的EPOS软件、加拿大国有资源局的CSRS－PPP和加拿大新不伦瑞克大学的GAPS－PPP软件、武汉大学的PANDA 和 TRIP软件等。这些软件均包括了精密单点定位技术数据处理功能［4]。其中，加拿大的CSRS－PPP、GAPS－PPP和美国的APPS－PPP三种软件可为用户提供免费的在线服务，而这三种在线软件精度如何是精密单点定位用户普遍关心的问题。通过处理多个IGS跟踪站的数据对这三种精密单点定位软件进行了精度评估。

根据太阳11年的活动周期可知，太阳活动高峰年即将来临，而在高峰年易爆发太阳耀斑。太阳耀斑的爆发会引起强烈的磁暴，使得GPS接收机信号质量降低，进而对GPS观测数据的质量产生影响［5]。由于精密单点定位通过电离层观测值组合仅能消除电离层误差一阶项的影响，在太阳活动活跃期残留的高阶电离层误差是否会影响精密单点定位的精度，也是需要探讨的问题。

1 三种在线精密单点定位软件

APPS－PPP、CSRS－PPP和 GAPS－PPP这三种PPP在线处理软件，可以通过在线PPP服务网站［6]进入。

APPS－PPP软件是由美国喷气推进实验室研制的一种在线单点定位处理软件。该软件支持RINEX 2.0和RINEX2.11两种输入文件，但是文件的大小不能超过5MB，否则该软件不能进行处理。用户只需要直接提交观测文件，软件就能在线处理。APPS－PPP软件对观测文件处理的比较快，处理后的结果可以直接从该服务网站上下载，该结果包括了估计的直角坐标和大地坐标等信息［7]。

CSRS－PPP软件是由加拿大国有资源局下属的大地测量部门提供的GPS在线单点定位服务软件。CSRS－PPP软件在使用前需要注册，其用户名为用户的邮箱地址，密码任意设置。申请用户名通过后，可以进入该软件进行数据处理，该软件可以处理静态和动态的数据，并且有NAD83（CSRS）和ITRF两种参考系供选择。该软件的处理结果会发送到邮箱，反馈给用户的有详细的坐标解及精度、接收机钟差估计信息、对流层延迟、整周模糊度等信息［7－8]。

GAPS－PPP软件是由加拿大新不伦瑞克大学提供、仅仅以研究为目的的在线单点定位服务软件，该软件不需要注册，用户只需要提交RINEX格式数据或其压缩形式的静态或动态观测数据文件。用户需要输入自己的邮箱地址并进行提交。处理的结果将发送到用户的邮箱。该在线处理软件能为用户提供该点的大地坐标、整周模糊度、测站钟估值、卫星的载波相位残差以及伪距残差等信息［7]。

2 数据处理及分析

选择不同纬度地区的IGS测站、不同级别的太阳耀斑的观测数据分别通过三种软件进行试算，以评价三种在线软件的处理精度。

2.1 使用不同纬度区域的IGS站观测数据

不同纬度地区将受到不同的电离层延迟、对流层延迟、地球自转及地球固体潮误差的影响，而这些误差将会影响精密单点定位的结果。为了测试三种在线PPP软件，选取全球IGS站上不同地区的一些测站数据分别通过三种软件进行试算。选取的不同区域的IGS测站位置如图1所示。所采用的测站在图1中给出了测站名。通过在IGS网站上下载所选测站的一天的数据分别通过三种在线软件进行试算，然后将这三种精密单点定位软件计算的定位结果与IGS提供的测站精密坐标进行比较以获得定位误差，其结果如图2所示。

图1 所选取的不同区域的IGS测站

图2 三种在线软件处理不同区域IGS测站数据的结果

由图2可以看出，APPS－PPP软件、GAPSPPP软件和CSRS－PPP软件得到的精密单点定位的结果，其误差在三个坐标方向上都在±5cm之内，少数测站在某坐标方向上误差超过了5cm，从CSRS－PPP软件的结果图中可以更明显的看出。对三种在线处理软件的定位误差结果进行了统计计算获得了E、N、U三个方向上的中误差值，如表1所示。

表1 三种软件计算的中误差

由表1可以看出，三种在线软件计算的结果在E方向的最大误差不超过3.5cm，N方向的最大误差也是不超过3cm，U方向的最大误差不超过2 cm.三种软件在E、N、U三个方向的计算结果互差不超过1.5cm.CSRS软件的处理结果相对于APPS与GAPS软件的处理结果较差，但是由图2可以看出，大部分情况下，CSRS软件处理的结果都是比较理想的，只有个别测站，处理的结果不是很好。故可知对于大部分的测站，三种在线软件的处理结果的精度很接近，但是只在个别的测站上，GSRS软件处理能力不及APPS软件和GAPS软件。

2.2 使用太阳耀斑期间的观测数据

太阳耀斑引起强磁暴，对地球空间环境造成很大的影响。由于强磁暴的发生，会导致电离层的电子密度增加，无线电信号的延迟也会随着发生改变［9]，因此，电离层磁暴会造成GPS更大的测距误差并影响观测数据的质量［10]。在进行精密单点定位时，通过双频观测数据间的消电离层组合消除了电离层一阶误差［11]，但由于太阳耀斑期间残留的电离层高阶误差会增加，为了分析其对精密单点定位产生影响，我们选择了不同级别的太阳耀斑发生时的GPS观测数据分别利用该三种在线软件进行试算。表2中列出了2000年到2006年期间发生的不同等级的太阳耀斑的时间、发生耀斑的经纬度以及地磁Kp的日平均值。

表2 选择的不同等级的太阳耀斑

根据表2中太阳耀斑发生的日期，从IGS中心FTP服务器上下载符合上述日期并于日面经纬度靠近的IGS测站的GPS观测数据（24小时），分别利用三种在线软件进行试算，将计算的坐标值与IGS提供的参考坐标作差并转换至测站坐标E、N、U方向，其获得的误差结果由图3所示。

图3 不同等级太阳耀斑下三种在线PPP软件的试算结果

图3中，横轴的序列是按照表2中日期的顺序而排列的。可以看出，在太阳耀斑期间，APPSPPP 、CSRS－PPP和 GAPS－PPP软件单天解的定位误差在E、N、U方向上均小于5cm，除了数据序列2在N方向上的位置误差。根据三种软件计算的结果分别计算出E、N、U方向的中误差，如表3所示。

表3 三种软件计算的中误差

根据中误差计算的结果，可以看出，三种软件计算的单点定位的精度在E方向的中误差不超过2cm，在N方向不超过2cm，在U方向不超过3.5 cm.三种软件在E、N方向的中误差的互差小于1 cm，而在U方向上三种软件的中误差互差小于1.5cm.

需要说明的是：三种PPP在线处理软件的解算结果是在ITRF框架下的三维坐标，如果用户需要的是地方（局部）平面和高程坐标系统中的坐标，需要由在线软件得到的结果再进行坐标转换得到用户所需要的坐标。

在GPS数据处理过程中，有些数据由于外界的因素（如太阳耀斑）的影响，使得观测数据可能存在大量周跳甚至存在粗差。根据大量测试计算，发现CSRS－PPP和APPS－PPP软件具有很好的预处理功能。而GAPS－PPP软件处理效果在一定程度上依赖于观测数据的质量。如在处理太阳耀斑期间2000年11月25号ROGE测站的数据时，用CSRS－PPP、APPS－PPP两种软件都能达到cm 级的定位精度，而用GAPS－PPP软件计算出来的位置坐标X、Y、Z三个方向的值与参考坐标之差分别达到了－1.635m、－2.949m 和2.494m.因此，对于GAPS－PPP软件在数据处理前，必须认真仔细地做好数据的编辑和质量检核工作，来剔除掉不好的数据。

3 结 论

通过对不同观测条件下的GPS观测数据采用三种 在 线 PPP 软 件 APPS－PPP、CSRS－PPP 和GAPS－PPP进行处理可知，三种软件在处理精度上具有一致性，在单个坐标方向上最大互差不超过1.6cm.三种软件单天解精度在三个坐标方向上均优于3.5cm.利用太阳耀斑期间的数据计算表明，精密单点定位精度并没有受到明显的影响，这主要是由于精密单点定位采用了消电离层组合的观测模型，而残留的高阶电离层误差对精密单点定位精度的影响不显著。三种在线处理软件都能处理动态数据，动态精密单点定位精度的评估将是下一步需要研究的内容。

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［6]Online PPP Services［OL].http：／／gge.unb.ca／Resources／PPP／OnlinePPPs.html.

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