BNC/RTKLIB/PPPWIZARD實時精密單點定位服務性能評估

杜 石 黃觀文 葛玉龍 岳 帆

1 長安大學地質工程與測繪學院，西安市雁塔路126號，710064 2 中國科學院國家授時中心，西安市書院東路3號，710600

由于早期缺乏高精度的實時衛星軌道和鐘差產品，PPP的解算模式主要為事后精密處理[1]，而近年來包括國際GNSS服務組織(IGS)在內的多家分析中心提供了狀態空間表示(SSR)格式的實時數據流，包含高精度實時軌道和鐘差改正產品[2-3]，快速推進了實時精密單點定位(RTPPP)技術的研究發展，補充完善了RTPPP的理論方法[4]。RTPPP應用的實現不僅需要實時衛星軌道和鐘差產品，還需要實時PPP軟件處理平臺，為此諸多研究人員及科研機構相繼開發了PPP軟件，以此將RTPPP技術由理論方法轉化為實際應用。目前能夠實現RTPPP功能的軟件包括RTKLIB、gLAB、G-NUT、GrafNav、BNC、PPPWIZARD等十余種，不同RTPPP軟件在解算策略和定位精度上存在一定的差異。國內外學者在軟件定位性能方面開展大量的分析研究[5-6]發現，絕大部分PPP軟件和在線PPP服務能夠在事后處理中得到高精度的定位結果，但在RTPPP服務性能測試方面的成果較少。本文選擇BNC、RTKLIB和PPPWIZARD等3款應用較為廣泛且開源代碼的GNSS解算軟件進行測試分析，評估3款軟件在RTPPP服務性能方面的實時數據完整率、收斂速度、定位精度及數據有效率等指標，以揭示不同軟件的定位服務性能差異。

1 軟件介紹

BNC是由德國BKG開發的一款能夠實現實時GNSS數據流同步檢索、解碼、轉換、處理及分析的軟件，開發語言為C++。該軟件的實時處理模塊功能豐富，可同時接受多家分析中心的實時流產品及處理多個測站的實時數據[4]。

RTKLIB是由日本東京海洋科技大學的高須知二利用C/C++語言開發的軟件，用于多系統GNSS定位軟件的開源程序包，支持標準單點定位、精密單點定位、偽距差分定位及高精度雙差相對定位等多種模式[7]。在實時處理模塊中，其設置與BNC軟件大致相同，能在軟件界面上實時顯示更新定位結果的各種精度指標及衛星分布等。

PPPWIZARD是由法國太空研究中心(CNES)利用C++語言開發的一款通過非差非組合觀測值實現模糊度固定的GNSS定位開源軟件[8]，該軟件的RTPPP模塊主要分為2個部分：1)getStream，實時獲取RTCM3二進制數據，以其規定的方式存儲在指定文件內；2)processStream，讀取getStream存儲的文件并進行解碼定位。要實現PPPWIZARD軟件的RTPPP功能，需將這2個部分進行組裝調用，同時導入配置文件和實時流數據獲取文件，即可在指定路徑中得到實時定位結果。

2 實時動態精密單點定位性能分析

2.1 數據處理策略

本文選擇由CNES提供的多系統實時產品CLK93及由DLR提供的多系統廣播星歷RTCM3EPH01兩個掛載點[2]分別進行3款軟件的RTPPP解算測試，以分析結果的實時數據完整率、收斂時間、定位精度及數據有效率[9]。為使分析結果在時間和空間分辨率上具有參考性，均勻選取9個全球IGS測站，其中測站的接收機和天線等基本設備信息均可在IGS提供的SNX文件中獲取，測站分布見圖1，均來自IGS的多GNSS實驗(MGEX)觀測網，不同軟件采取的數據處理策略見表1。

圖1 所選9個IGS測站分布Fig.1 Distribution of the nine selected IGS stations

本文共3組在相同環境下實時接收的實驗數據：1)單天單GPS系統的RTPPP數據，數據時間為2020-03-04、03-05、03-06、03-10和03-11，其中武漢大學播發器(ntrip.gnsslab.cn)在03-07～09無法接收到所選測站的觀測數據；2)單天GPS+GLONASS雙系統的RTPPP數據，數據時間為2020-03-12～03-16；3)單天GPS+GLONASS+Galileo三系統的RTPPP數據，數據時間為2020-03-17～03-21。

實驗評估的性能指標包括實時數據完整率、收斂時間、定位精度和數據有效率，其中數據完整率是指單天接受到的歷元個數除以單天的理論最大歷元數，由于實時數據包含測站觀測值數據、廣播星歷數據和SSR數據，為綜合評估軟件接收實時數據的通訊能力[10]，將這3類實時數據完整率的平均值作為整體數據完整率。收斂時間定義為滿足東(E)、北(N)、天(U)方向的定位誤差連續10 min分別小于0.2 m、0.2 m和0.4 m閾值的第1個歷元[4]，其中PPPWIZARD軟件采用的是模糊度固定解，其余2個軟件采用的是模糊度浮點解。定位精度是指將實驗數據結果與IGS提供的周解坐標作差，分別求得X、Y、Z方向上的定位誤差，并將其轉換到站心坐標系E、N、U下，該指標主要由軟件自身定位解算確定[11]。由于RTPPP容易受網絡通訊、數據質量和軟件實時定位模塊等多因素影響，在收斂后可能出現重收斂或精度發散等情況，因此本文定義的數據有效率是指在收斂后符合閾值要求的歷元個數與收斂后總歷元個數的比值。

為更好地反映各軟件的RTPPP精度指標，本文將展示各組實驗數據通過天數求平均后的結果，同時考慮到各軟件在測試時會受網絡、實時數據穩定性及軟件自身通訊功能等問題的影響，在求平均過程中將去除最大值和最小值，以盡可能避免異常值和粗差的影響。為方便描述，后文將用單系統表示單GPS系統，雙系統表示GPS+GLONASS系統，三系統表示GPS+GLONASS+Galileo系統。

2.2 RTPPP數據完整率分析

分別統計了3款軟件單系統、雙系統和三系統的實時數據完整率，結果見表2。由表可知，3款軟件在3種系統定位模式中都有較高的實時數據完整率，均達到96%以上，說明3款軟件在接收實時數據的通訊方面穩定性都較高。

表2 3款軟件不同系統組合的實時數據完整率統計

為進一步分析各軟件對實時數據接收能力的差異，分別統計了3款軟件在各個測站單系統、雙系統及三系統參與定位解算的平均衛星數，結果見圖2，圖中虛線為平均值。由圖可知，同一測站在相同環境的3種系統組合中，PPPWIZARD軟件參與定位解算的衛星數最多，BNC次之，RTKLIB較差，反映了各軟件對實時數據接收能力的強弱差異。

圖2 各測站3款軟件不同系統組合衛星數Fig.2 The number of satellites for each station in different systems

2.3 RTPPP收斂時間分析

分別統計了3款軟件在各測站單系統、雙系統、三系統的平均收斂時間，結果見圖3。由圖可知，隨著系統數的增加，3款軟件的整體收斂時間均得到改善，其中BNC和PPPWIZARD軟件的收斂時間相對較短且穩定，而RTKLIB軟件的收斂時間相對較長且因測站的不同而波動較大。為通過數值具體反映3款軟件在3種系統組合中的收斂時間，統計圖3中的信息結果見表3。由表可知，相比于單系統，多系統組合使用更多的衛星參與定位，改善了空間幾何構型，使收斂速度得到明顯提升，其中BNC軟件在多系統中的收斂時間優于19 min，PPPWIZARD軟件在多系統中的收斂時間優于13 min，而RTKLIB軟件在各系統組合中的收斂時間均超過80 min。

表3 3款軟件不同系統組合的收斂時間統計

為分析造成RTKLIB軟件收斂時間較長的原因，統計了該軟件在各測站三系統中E、N、U方向的收斂時間，結果見圖4，圖中虛線為平均值。由圖可知，E、N、U三方向的平均收斂時間分別約為72 min、28 min和27 min，其中E方向的收斂時間最長且與其他方向的收斂時間相差較大，接近軟件在三系統中的整體收斂時間。由此推斷，影響RTKLIB軟件整體收斂時間的因素是E方向的收斂問題，若能解決該問題，該軟件在三系統中的整體收斂時間可能優于30 min。

圖3 各測站3款軟件不同系統組合收斂時間Fig.3 Convergence time for each station in different systems

圖4 RTKLIB軟件三系統E、N、U方向的收斂時間Fig.4 Convergence time of the E,N,U directionsof RTKLIB in triple systems

2.4 RTPPP定位精度和數據有效率分析

為準確反映3款軟件基于實時流產品的RT-PPP解算結果與IGS給出的周解坐標之間的定位誤差，本文將均方根(RMS)值作為定位精度的評價指標，分別統計了3款軟件在各測站單系統、雙系統、三系統中水平方向的平均RMS值，結果見圖5，同時統計了3款軟件不同系統組合在U方向的平均RMS值，結果見表4。

表4 3款軟件不同系統組合U方向RMS值統計

由圖5和表4可知，3款軟件在水平方向和U方向的RMS值整體上沒有顯著變化，說明正常情況下收斂后的定位精度不會因為衛星數的增加和組合定位模式的改變而產生較大變化。

圖6為3款軟件在2020-03-17 PADO測站三系統中E、N、U三方向的定位誤差序列，由圖可知，BNC和PPPWIZARD軟件的定位誤差序列精度較高且較為穩定，RTKLIB軟件雖然在水平方向和U方向都能達到dm級，但整個序列收斂并不一致，會因網絡、實時產品及軟件內部動態模型等因素的影響產生起伏波動。圖6(b)和6(c)中出現粗差重收斂現象，經數據分析可知，RTKLIB軟件在當天08:00:07～08:00:11產生粗差，PPPWIZARD軟件在08:00:10～08:05:11產生粗差，但定位結果的時間序列均未出現中斷現象，推斷可能是SSR數據流的短時間中斷。另外，在相應的時間段中BNC軟件未出現粗差重收斂現象，說明該軟件在應對短時間SSR數據中斷的情況中表現較為穩定。

數據有效率越高說明軟件收斂后的精度越穩定一致，軟件自身的實時定位功能越完善。圖7為3款軟件在各測站單系統、雙系統、三系統中的平均數據有效率，由圖可知，在3種系統組合RTPPP中，BNC和PPPWIZARD軟件的數據有效率相對較高且穩定，基本在95%左右；而RTKLIB軟件的數據有效率整體相對較低且波動較大，單系統中整體低于42%，雙系統中整體低于63%，三系統中整體低于73%，但數據有效率隨系統數的增加有顯

圖5 各測站3款軟件不同系統組合水平方向的RMS值Fig.5 RMS values in horizontal direction for each station in different systems

圖6 PADO測站3款軟件三系統定位誤差序列Fig.6 PADO station positioning error sequence in triple systems

圖7 3款軟件不同系統組合各測站數據有效率Fig.7 Data efficiency for each station in different systems

著提升，說明RTKLIB軟件收斂精度的穩定性及實時動態定位功能的強弱與系統數密切相關。

從對流層估值、實時改正數時延和模糊度過程噪聲等多方面對造成RTKLIB軟件收斂時間較長且收斂后精度波動較大的原因進行分析后認為：1)在對流層估值方面，RTKLIB軟件對流層估值與PPPWIZARD軟件對流層估值的整體趨勢一致(mm級差異)，推斷RTKLIB軟件對流層策略并非影響其收斂時間和收斂后精度波動的主要原因；2)在實時改正數時延方面，RTKLIB軟件采用10 s實時改正數時延和90 s實時改正數時延的定位結果無差別，其中90 s為RTKLIB軟件內部默認的實時改正數時延，10 s為PPPWZIARD軟件的實時改正數時延；3)在模糊度過程噪聲方面，初步算例結果顯示，降低模糊度過程噪聲設置可明顯改善RTKLIB軟件的實時定位結果。關于最佳的模糊度過程噪聲設置及不同參數的適用性等將在后續研究中深入探討。

3 結 語

本文對3款GNSS開源軟件BNC、RTKLIB和PPPWIZARD的RTPPP服務性能進行了評估，并從實時數據完整率、收斂時間、定位精度和數據有效率等4個方面進行了計算分析，結果表明：

1)正常情況下，3款軟件RTPPP接收的實時數據完整率均達到96%以上，通訊穩定性都較好。在實時數據接收能力方面，PPPWIZARD軟件最優，BNC次之，RTKLIB稍差。

2)隨著系統數的增加，3款軟件的收斂速度也隨之提升，但不同軟件的收斂時間有較大的差異。BNC和PPPWIZARD軟件在單系統定位中收斂時間分別約為25 min和40 min，在多系統定位中收斂時間分別優于19 min和13 min，而RTKLIB軟件在3種系統組合定位中的收斂時間均超過80 min。

3)3款軟件在不同系統組合中的定位精度都較穩定，水平方向的定位精度分別優于9 cm、16 cm和7 cm，U方向的定位精度分別優于12 cm、20 cm和12 cm。在RTPPP的穩定性方面，BNC和PPPWIZARD軟件在收斂后精度較穩定，數據有效率均達到95%左右，其中PPPWIZARD軟件采用固定解模式；而RTKLIB軟件在收斂后精度會產生顯著波動，數據有效率最優也低于73%。