2021, Vol. 41
2. 中国科学院国家授时中心，西安市书院东路3号，710600
由于早期缺乏高精度的实时卫星轨道和钟差产品，PPP的解算模式主要为事后精密处理[1]，而近年来包括国际GNSS服务组织(IGS)在内的多家分析中心提供了状态空间表示(SSR)格式的实时数据流，包含高精度实时轨道和钟差改正产品[2-3]，快速推进了实时精密单点定位(RTPPP)技术的研究发展，补充完善了RTPPP的理论方法[4]。RTPPP应用的实现不仅需要实时卫星轨道和钟差产品，还需要实时PPP软件处理平台，为此诸多研究人员及科研机构相继开发了PPP软件，以此将RTPPP技术由理论方法转化为实际应用。目前能够实现RTPPP功能的软件包括RTKLIB、gLAB、G-NUT、GrafNav、BNC、PPPWIZARD等十余种，不同RTPPP软件在解算策略和定位精度上存在一定的差异。国内外学者在软件定位性能方面开展大量的分析研究[5-6]发现，绝大部分PPP软件和在线PPP服务能够在事后处理中得到高精度的定位结果，但在RTPPP服务性能测试方面的成果较少。本文选择BNC、RTKLIB和PPPWIZARD等3款应用较为广泛且开源代码的GNSS解算软件进行测试分析，评估3款软件在RTPPP服务性能方面的实时数据完整率、收敛速度、定位精度及数据有效率等指标，以揭示不同软件的定位服务性能差异。
1 软件介绍BNC是由德国BKG开发的一款能够实现实时GNSS数据流同步检索、解码、转换、处理及分析的软件，开发语言为C++。该软件的实时处理模块功能丰富，可同时接受多家分析中心的实时流产品及处理多个测站的实时数据[4]。
RTKLIB是由日本东京海洋科技大学的高须知二利用C/C++语言开发的软件，用于多系统GNSS定位软件的开源程序包，支持标准单点定位、精密单点定位、伪距差分定位及高精度双差相对定位等多种模式[7]。在实时处理模块中，其设置与BNC软件大致相同，能在软件界面上实时显示更新定位结果的各种精度指标及卫星分布等。
PPPWIZARD是由法国太空研究中心(CNES)利用C++语言开发的一款通过非差非组合观测值实现模糊度固定的GNSS定位开源软件[8]，该软件的RTPPP模块主要分为2个部分：1)getStream，实时获取RTCM3二进制数据，以其规定的方式存储在指定文件内；2)processStream，读取getStream存储的文件并进行解码定位。要实现PPPWIZARD软件的RTPPP功能，需将这2个部分进行组装调用，同时导入配置文件和实时流数据获取文件，即可在指定路径中得到实时定位结果。
2 实时动态精密单点定位性能分析 2.1 数据处理策略本文选择由CNES提供的多系统实时产品CLK93及由DLR提供的多系统广播星历RTCM3EPH01两个挂载点[2]分别进行3款软件的RTPPP解算测试，以分析结果的实时数据完整率、收敛时间、定位精度及数据有效率[9]。为使分析结果在时间和空间分辨率上具有参考性，均匀选取9个全球IGS测站，其中测站的接收机和天线等基本设备信息均可在IGS提供的SNX文件中获取，测站分布见图 1，均来自IGS的多GNSS实验(MGEX)观测网，不同软件采取的数据处理策略见表 1。
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图 1 所选9个IGS测站分布 Fig. 1 Distribution of the nine selected IGS stations |
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表 1 本文3款软件的数据处理策略 Tab. 1 Data processing strategies in this paper |
本文共3组在相同环境下实时接收的实验数据：1)单天单GPS系统的RTPPP数据，数据时间为2020-03-04、03-05、03-06、03-10和03-11，其中武汉大学播发器(ntrip.gnsslab.cn)在03-07~09无法接收到所选测站的观测数据；2)单天GPS+GLONASS双系统的RTPPP数据，数据时间为2020-03-12~03-16；3)单天GPS+GLONASS+Galileo三系统的RTPPP数据，数据时间为2020-03-17~03-21。
实验评估的性能指标包括实时数据完整率、收敛时间、定位精度和数据有效率，其中数据完整率是指单天接受到的历元个数除以单天的理论最大历元数，由于实时数据包含测站观测值数据、广播星历数据和SSR数据，为综合评估软件接收实时数据的通讯能力[10]，将这3类实时数据完整率的平均值作为整体数据完整率。收敛时间定义为满足东(E)、北(N)、天(U)方向的定位误差连续10 min分别小于0.2 m、0.2 m和0.4 m阈值的第1个历元[4]，其中PPPWIZARD软件采用的是模糊度固定解，其余2个软件采用的是模糊度浮点解。定位精度是指将实验数据结果与IGS提供的周解坐标作差，分别求得X、Y、Z方向上的定位误差，并将其转换到站心坐标系E、N、U下，该指标主要由软件自身定位解算确定[11]。由于RTPPP容易受网络通讯、数据质量和软件实时定位模块等多因素影响，在收敛后可能出现重收敛或精度发散等情况，因此本文定义的数据有效率是指在收敛后符合阈值要求的历元个数与收敛后总历元个数的比值。
为更好地反映各软件的RTPPP精度指标，本文将展示各组实验数据通过天数求平均后的结果，同时考虑到各软件在测试时会受网络、实时数据稳定性及软件自身通讯功能等问题的影响，在求平均过程中将去除最大值和最小值，以尽可能避免异常值和粗差的影响。为方便描述，后文将用单系统表示单GPS系统，双系统表示GPS+GLONASS系统，三系统表示GPS+GLONASS+Galileo系统。
2.2 RTPPP数据完整率分析分别统计了3款软件单系统、双系统和三系统的实时数据完整率，结果见表 2。由表可知，3款软件在3种系统定位模式中都有较高的实时数据完整率，均达到96%以上，说明3款软件在接收实时数据的通讯方面稳定性都较高。
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表 2 3款软件不同系统组合的实时数据完整率统计 Tab. 2 Statistical of real-time data integrity rates for different systems |
为进一步分析各软件对实时数据接收能力的差异，分别统计了3款软件在各个测站单系统、双系统及三系统参与定位解算的平均卫星数，结果见图 2，图中虚线为平均值。由图可知，同一测站在相同环境的3种系统组合中，PPPWIZARD软件参与定位解算的卫星数最多，BNC次之，RTKLIB较差，反映了各软件对实时数据接收能力的强弱差异。
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图 2 各测站3款软件不同系统组合卫星数 Fig. 2 The number of satellites for each station in different systems |
分别统计了3款软件在各测站单系统、双系统、三系统的平均收敛时间，结果见图 3。由图可知，随着系统数的增加，3款软件的整体收敛时间均得到改善，其中BNC和PPPWIZARD软件的收敛时间相对较短且稳定，而RTKLIB软件的收敛时间相对较长且因测站的不同而波动较大。为通过数值具体反映3款软件在3种系统组合中的收敛时间，统计图 3中的信息结果见表 3。由表可知，相比于单系统，多系统组合使用更多的卫星参与定位，改善了空间几何构型，使收敛速度得到明显提升，其中BNC软件在多系统中的收敛时间优于19 min，PPPWIZARD软件在多系统中的收敛时间优于13 min，而RTKLIB软件在各系统组合中的收敛时间均超过80 min。
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图 3 各测站3款软件不同系统组合收敛时间 Fig. 3 Convergence time for each station in different systems |
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表 3 3款软件不同系统组合的收敛时间统计 Tab. 3 Statistical of convergence time for differentsystems |
为分析造成RTKLIB软件收敛时间较长的原因，统计了该软件在各测站三系统中E、N、U方向的收敛时间，结果见图 4，图中虚线为平均值。由图可知，E、N、U三方向的平均收敛时间分别约为72 min、28 min和27 min，其中E方向的收敛时间最长且与其他方向的收敛时间相差较大，接近软件在三系统中的整体收敛时间。由此推断，影响RTKLIB软件整体收敛时间的因素是E方向的收敛问题，若能解决该问题，该软件在三系统中的整体收敛时间可能优于30 min。
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图 4 RTKLIB软件三系统E、N、U方向的收敛时间 Fig. 4 Convergence time of the E, N, U directions of RTKLIB in triple systems |
为准确反映3款软件基于实时流产品的RT-PPP解算结果与IGS给出的周解坐标之间的定位误差，本文将均方根(RMS)值作为定位精度的评价指标，分别统计了3款软件在各测站单系统、双系统、三系统中水平方向的平均RMS值，结果见图 5，同时统计了3款软件不同系统组合在U方向的平均RMS值，结果见表 4。
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图 5 各测站3款软件不同系统组合水平方向的RMS值 Fig. 5 RMS values in horizontal direction for each station in different systems |
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表 4 3款软件不同系统组合U方向RMS值统计 Tab. 4 Statistics of RMS values in U direction for different systems |
由图 5和表 4可知，3款软件在水平方向和U方向的RMS值整体上没有显著变化，说明正常情况下收敛后的定位精度不会因为卫星数的增加和组合定位模式的改变而产生较大变化。
图 6为3款软件在2020-03-17 PADO测站三系统中E、N、U三方向的定位误差序列，由图可知，BNC和PPPWIZARD软件的定位误差序列精度较高且较为稳定，RTKLIB软件虽然在水平方向和U方向都能达到dm级，但整个序列收敛并不一致，会因网络、实时产品及软件内部动态模型等因素的影响产生起伏波动。图 6(b)和6(c)中出现粗差重收敛现象，经数据分析可知，RTKLIB软件在当天08:00:07~08:00:11产生粗差，PPPWIZARD软件在08:00:10~08:05:11产生粗差，但定位结果的时间序列均未出现中断现象，推断可能是SSR数据流的短时间中断。另外，在相应的时间段中BNC软件未出现粗差重收敛现象，说明该软件在应对短时间SSR数据中断的情况中表现较为稳定。
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图 6 PADO测站3款软件三系统定位误差序列 Fig. 6 PADO station positioning error sequence in triple systems |
数据有效率越高说明软件收敛后的精度越稳定一致，软件自身的实时定位功能越完善。图 7为3款软件在各测站单系统、双系统、三系统中的平均数据有效率，由图可知，在3种系统组合RTPPP中，BNC和PPPWIZARD软件的数据有效率相对较高且稳定，基本在95%左右；而RTKLIB软件的数据有效率整体相对较低且波动较大，单系统中整体低于42%，双系统中整体低于63%，三系统中整体低于73%，但数据有效率随系统数的增加有显著提升，说明RTKLIB软件收敛精度的稳定性及实时动态定位功能的强弱与系统数密切相关。
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图 7 3款软件不同系统组合各测站数据有效率 Fig. 7 Data efficiency for each station in different systems |
从对流层估值、实时改正数时延和模糊度过程噪声等多方面对造成RTKLIB软件收敛时间较长且收敛后精度波动较大的原因进行分析后认为：1)在对流层估值方面，RTKLIB软件对流层估值与PPPWIZARD软件对流层估值的整体趋势一致(mm级差异)，推断RTKLIB软件对流层策略并非影响其收敛时间和收敛后精度波动的主要原因；2)在实时改正数时延方面，RTKLIB软件采用10 s实时改正数时延和90 s实时改正数时延的定位结果无差别，其中90 s为RTKLIB软件内部默认的实时改正数时延，10 s为PPPWZIARD软件的实时改正数时延；3)在模糊度过程噪声方面，初步算例结果显示，降低模糊度过程噪声设置可明显改善RTKLIB软件的实时定位结果。关于最佳的模糊度过程噪声设置及不同参数的适用性等将在后续研究中深入探讨。
3 结语本文对3款GNSS开源软件BNC、RTKLIB和PPPWIZARD的RTPPP服务性能进行了评估，并从实时数据完整率、收敛时间、定位精度和数据有效率等4个方面进行了计算分析，结果表明：
1) 正常情况下，3款软件RTPPP接收的实时数据完整率均达到96%以上，通讯稳定性都较好。在实时数据接收能力方面，PPPWIZARD软件最优，BNC次之，RTKLIB稍差。
2) 随着系统数的增加，3款软件的收敛速度也随之提升，但不同软件的收敛时间有较大的差异。BNC和PPPWIZARD软件在单系统定位中收敛时间分别约为25 min和40 min，在多系统定位中收敛时间分别优于19 min和13 min，而RTKLIB软件在3种系统组合定位中的收敛时间均超过80 min。
3) 3款软件在不同系统组合中的定位精度都较稳定，水平方向的定位精度分别优于9 cm、16 cm和7 cm，U方向的定位精度分别优于12 cm、20 cm和12 cm。在RTPPP的稳定性方面，BNC和PPPWIZARD软件在收敛后精度较稳定，数据有效率均达到95%左右，其中PPPWIZARD软件采用固定解模式；而RTKLIB软件在收敛后精度会产生显著波动，数据有效率最优也低于73%。
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