基于CNES产品的GPS实时精密单点定位性能分析*

白若冰，张永奇，闫俊义，苏丽娜，翟宏光，胡 楠

(陕西省地震局，陕西 西安 710068)

GPS定位技术被广泛应用于地震监测领域[1]。高精度、实时性的测站三维坐标对地震监测及震时预警具有重要意义[2]。GPS单点定位技术采用伪距观测量基于卫星广播星历进行定位解算，可实时获得测站坐标，然而由于伪距观测及广播星历精度限制，单点定位最多只能达到米级定位精度[3]。GPS精密单点定位技术(PPP)采用载波相位观测量基于IGS事后精密星历完成定位解算，可实现厘米级的测站定位精度，然而高精度的最终精密星历需要事后10 d以上的延迟才能获取，因此传统PPP时效性的缺乏严重限制了其应用价值[4]。随着观测、定轨与通讯技术的不断发展，高精度实时精密轨道、钟差产品的生成与播发服务逐渐成熟，使得新一代PPP技术同时具备时效性与高精度双重属性[5]。本文基于CNES数据分析中心提供的实时精密轨道、钟差产品利用几个我国境内的IGS测站数据进行GPS精密单点定位解算，对现阶段实时精密单点定位的精度展开分析，并且与单点定位及基于IGS最终星历的精密单点定位结果进行了横向比较。

1 GPS实时精密星历的获取

GPS实时PPP得以成功实施的首要前提是高精度轨道、钟差产品的实时获取。为了实现高精度的GPS实时PPP应用，IGS从2002年开始成立了相应的工作组，并在2007年开始了实时试点项目(RTPP)。从2013年开始，IGS尝试开始通过RTCM和NTRIP模式向用户提供GPS的实时轨道、钟差改正产品。截止目前已有德国联邦制图和大地测量办公室(BKG)、法国国家空间研究中心(CNES)、欧洲航天局(ESA)等多个分析中心向用户提供实时精密轨道、钟差产品[6]。同时CNES还是第一个同时向GPS、北斗、GLONASS和伽利略四种导航系统都提供实时服务(RTS)的机构。

目前，大多数的实时GPS精密轨道、钟差产品都采用SSR格式。状态空间表示(State Space Representation，缩写SSR)是一种记录卫星轨道、钟差改正参数的格式。在SSR改正格式中，不同误差源(卫星轨道、钟差、电离层延迟、对流层延迟等)被分别建模和分发。采用这种SSR格式播发改正信息的好处是针对所有用户只需播发同一改正数据流，因此可适用于大基数用户群的应用需求[7]。

2 实时精密星历的恢复算法

来自CNES分析中心的实时数据流提供相对GPS广播星历的轨道及钟差改正参数。按照一定的改正算法可推算出高精度的实时轨道位置及钟差参数，这一过程称为“实时精密轨道、钟差的恢复”。

恢复算法可概述如下：首先，实时精密轨道改正产品提供星固坐标系下径向、沿轨和切轨三个方向上的改正参数。由于在GPS定位解算中基于地固坐标系进行，因此需要先将基于星固系下的轨道改正转换成相应地固系下的改正。基于轨道改正参数的高精度实时卫星三维坐标恢复算法可表示为[8-9]：

(1)

(2)

3 数据来源

为了评估现阶段CNES产品用于GPS实时PPP的定位解算性能。从相应网站下载了需要的星历数据及观测文件。其中，从IGS网站下载了我国境内BJFS、SHAO、WUH2、CHAN四个测站2019年3月1日00:00:00～24:00:00一天24 h的GPS观测文件，采样间隔30 s。对于CNES的实时星历产品，其SSR改正信息实时数据流为CLK93，在完成相应信息注册后可免费获取。如图1所示为CNES相应数据来源网站页面。

图1 CNES相应数据来源网站页面

由于地域与设备等条件限制，本文在进行实时PPP数据处理时采用了“准实时”的实验方式。即实时通过网络获取并记录了2019年3月1日00:00:00～24:00:00的星历改正数据流，事后用该星历产品对四个测站相应时段内的GPS观测数据进行动态模式下的PPP解算，准实时地对其定位性能进行评估。同时，为了与基于广播星历及伪距观测数据的GPS单点定位和基于IGS最终星历产品的GPS精密单点定位结果进行横向比较，也在IGS网站上下载了相应时段内的GPS广播星历及最终精密星历文件。

4 解算精度分析

为了对现阶段实时精密单点定位的精度展开分析，并且与单点定位及基于IGS最终星历的精密单点定位结果进行横向比较，文章共设置了三种定位解算方案。表1所示为三种不同定位解算方案的详细设置。

表1 三种定位解算方案设置

分别采用方案1-3对四个测站的GPS观测文件进行了定位解算并与相应的真实测站坐标比较进行精度评定。如图2所示为BJFS测站三种不同GPS定位解算方案下南北、东西和高程方向上解算坐标与真实坐标偏差的时间序列结果图。方案1(单点定位)南北、东西和高程方向上偏差均方根(Root mean squre)统计分别为0.85, 1.01和2.68 m；方案2(实时PPP)南北、东西和高程方向上偏差均方根(Root mean squre)统计分别为0.17, 0.13和0.35 m；方案3(IGS最终PPP)南北、东西和高程方向上偏差均方根(Root mean squre)统计分别为0.03, 0.05和0.09 m。其他测站各种解算方案结果统计表1所示。

图2 BJFS测站三种不同解算方案下各个方向上定位结果与真实坐标偏差的时间序列

表2 各测站不同方案定位结果统计/m

观察表2可知：现阶段，基于CNES产品动态解算模式下的实时PPP可达到分米级定位精度，虽然尚不及基于IGS最终产品PPP厘米级的定位精度，但远优于GPS单点定位米级的定位精度。

5 结 论

GPS精密单点定位技术具有巨大的应用潜力，长期以来由于高精度的精密星历获取存在严重的滞后性，因此极大地限制了PPP应用的时效性。随着实时高精度定轨技术的逐渐成熟，GPS实时PPP应用日渐普及。本文分析了当前实时精密星历产品应用于精密单点定位的解算精度。结果表明基于实时产品的精密定位结果与基于最终产品的定位精度尚有差距，但已经初步提供了分米级的实时高精度定位服务。