利用PRIDE PPP-AR II开源平台评估IGS GPS/Galileo/BDS-2/3多系统相位偏差| 耿江辉
Assessing IGS GPS/Galileo/BDS-2/BDS-3 phase bias products with PRIDE PPP-AR
Jianghui Geng* , Songfeng Yang and Jiang Guo
Satellite Navigation (2021) 2: 17
引用文章:
Geng, J.H., Yang, S.F. & Guo, J. Assessing IGS GPS/Galileo/BDS-2/BDS-3 phase bias products with PRIDE PPP-AR. Satell Navig 2, 17 (2021). https://doi.org/10.1186/s43020-021-00049-9.
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Editorial Summary
PRIDE PPP-AR II to assess multi-GNSS phase biases
Ambiguity Resolution in Precise Point Positioning (PPP-AR) is important to achieving high-precision positioning in wide areas. The International GNSS (Global Navigation Satellite System) Service (IGS) and some other academic organizations have begun to provide phase bias products to enable PPP-AR, such as the integer-clock like products by Centre National d’Etudes Spatials (CNES), Wuhan University (WUM) and the Center for Orbit Determination in Europe (CODE), as well as the Uncalibrated Phase Delay (UPD) products by School of Geodesy and Geomatics (SGG). To evaluate these disparate products, we carry out Global Positioning System (GPS)/Galileo Navigation Satellite System (Galileo) and BeiDou Navigation Satellite System (BDS-only) PPP-AR using 30 days of data in 2019. In general, over 70% and 80% of GPS and Galileo ambiguity residuals after wide-lane phase bias corrections fall in ± 0.1 cycles, in contrast to less than 50% for BeiDou Navigation Satellite (Regional) System (BDS-2); moreover, around 90% of GPS/Galileo narrow-lane ambiguity residuals are within ± 0.1 cycles, while the percentage drops to about 55% in the case of BDS products. GPS/Galileo daily PPP-AR can usually achieve a positioning precision of 2, 2 and 6 mm for the east, north and up components, respectively, for all phase bias products except those based on German Research Centre for Geosciences (GBM) rapid satellite orbits and clocks. Due to the insufficient number of BDS satellites during 2019, the BDS phase bias products perform worse than the GPS/Galileo products in terms of ambiguity fixing rates and daily positioning precisions. BDS-2 daily positions can only reach a precision of about 10 mm in the horizontal and 20 mm in the vertical components, which can be slightly improved after PPP-AR. However, for the year of 2020, BDS-2/BDS-3 PPP-AR achieves about 50% better precisions for all three coordinate components.
本文亮点
1.对来自法国国家空间研究中心、武汉大学、欧洲定轨中心等的GNSS相位偏差产品进行评估。从宽巷、窄巷产品的时间重复性和模糊度残差的分布情况说明不同相位偏差产品的性能。
2.使用2.0版PRIDE PPP-AR开源平台进行GPS/Galileo双系统的PPP-AR实验。说明相位偏差产品对于单天解、动态解和小时解可实现的总体定位精度。
3.同时也进行了BDS-2/BDS-3的PPP-AR实验。说明不同相位偏差产品应用于BDS模糊度固定的表现。
内容简介
精密单点定位技术中，模糊度固定是实现高精度定位的关键。为实现模糊度固定（PPP-AR），IGS和其它学术机构已经开始提供相位偏差产品，如武汉大学、法国国家空间研究中心和欧洲定轨中心的整数钟类产品，以及武汉大学测绘学院的未校准相位延迟（UPD）产品。需要注意的是，武汉大学的IGS产品生成软件与本文使用的PRIDE PPP-AR软件也有兼容性（compatibility）问题，因此武汉大学的IGS产品并不比其他机构的产品更具相对精度优势。
为了评估这些不同的相位偏差产品，我们使用2019年30天的数据进行了GPS/Galileo和单BDS的PPP-AR。总体而言，使用宽巷相位偏差产品改正后，超过70%的GPS和超过80%的Galileo模糊度残差在±0.1周内，而BDS-2的模糊度残差位于±0.1周内的不到50%；对于窄巷模糊度残差，GPS和Galileo约90%在±0.1周内，而BDS的这一比例约为55%。除了基于GFZ的快速卫星轨道和时钟产品外，基于其它产品的GPS/Galileo PPP-AR单天静态解可在东、北和高分别实现2、2和6 mm的定位精度。由于2019年BDS卫星数量不足，当年的BDS相位偏差产品在模糊度固定率和单天定位精度方面均不如GPS/Galileo产品。BDS-2单天解在水平方向的精度约为10 mm，垂直方向的精度约为20 mm，模糊度固定后精度略有提高。然而，到了2020年，BDS-2/BDS-3 PPP-AR在三个方向上的精度均提高了约50%。
I.宽巷、窄巷相位偏差产品的时间稳定性分析
总体而言，Galileo卫星具有最稳定的宽巷相位偏差，标准差约0.01周。BDS卫星相位偏差的标准差约为0.02周，而GPS的标准差通常比Galileo和BDS要大。这些结果证实了宽巷相位偏差随着时间的推移是相当稳定的。
对于所有GPS和Galileo卫星，SGG-com和SGG-grg的窄巷标准差明显小于SGG-gbm和GRG-gbm。相比之下，BDS-2窄巷相位偏差的标准差在卫星间变化最大，无论是来自GRG-gbm、SGG-com还是SGG-gbm。与BDS系统IGSO卫星相比，MEO卫星具有较大的标准差，这是因为在亚洲-大洋洲以外同时观测到BDS MEO卫星的站点数量可能低至4个，这常常导致MEO卫星的窄巷相位偏差的精度较低。
图 1 GPS/Galileo/BDS-2卫星的宽巷和窄巷相位偏差的标准差。2019年第001天至第030天的宽巷标准差（上）。2019年第001天的窄巷标准差（下）。GPS、Galileo和BDS-2卫星的参考星分别为G01、E01和C06。
II.宽巷模糊度残差聚集性分析
所有产品的GPS宽巷模糊度残差的标准差为0.09周，大约72%的残差在±0.1周之内。对Galileo而言，所有产品均有超过80%的残差在±0.1周之内，其标准差约为0.07周。值得注意的是，对于GRG-gbm的Galileo，如果天线相位中心改正不应用于Melbourne-Wübbena组合，只有60%的宽巷模糊度残差会在±0.1周以内且标准差会增加到0.1周。无论使用哪种信号组合（即B1I/B2I或B1I/B3I），通常不到50%的BDS-2宽巷模糊度残差在±0.1周以内。基于SGG-com和SGG-gbm的BDS-2宽巷模糊度残差似乎有0.05周的均值偏差。相反，WUM的BDS-3宽巷相位偏差产品可以达到与GPS产品相当的性能。
图 2 WUM、COM、GRG、GRG-gbm、SGG-com、SGG-grg和SGG-gbm产品2019年30天的GPS、Galileo和BDS宽巷模糊残差分布。左上角和右上角分别绘制所有残差的标准差和±0.1周内模糊度残差所占的百分比。只有WUM有BDS-3产品（红色条形图）。
III.窄巷模糊度残差聚集性分析
所有产品的GPS窄巷模糊度残差的标准差小于0.1周，超过87%的残差在±0.1周以内。Galileo窄巷模糊度表现类似。使用BDS-2窄巷相位偏差产品后，WUM、GRG-gbm和SGG-com约55%的窄巷模糊度残差在±0.1周。所有BDS-2窄巷模糊度残差的标准差约为0.2周，是GPS和Galileo的两倍。此外，WUM BDS-3产品的表现比BDS-2产品差，因为只有42%的残差落在±0.1周内。总体而言，我们说明了GPS/Galileo相位偏差产品在恢复模糊度整周特性方面的表现最好，而BDS产品的表现较差。一个可能的原因是，在本研究的测试期间，BDS轨道/钟差产品不如GPS和Galileo。
IV.模糊度固定率结果分析
单BDS PPP-AR单天解的位置均方根误差高于GPS/Galileo解。2019年WUM模糊度浮点解PPP在东、北和高三个方向的均方根误差分别为10.8、8.4和32.4 mm，模糊度固定解PPP的均方根误差分别为10.1、8.1和32.2 mm。2019年的大多数情况下，BDS-2 PPP-AR可能结果并不可靠，主要原因是BDS卫星相对较少。当2020年可观测到更多BDS卫星后，BDS-2/BDS-3模糊固定解PPP在东方向定位精度比模糊度浮点解PPP提高了33%。
V.单天解定位结果分析
GRG-gbm在所有相位偏差产品中定位表现表现最差（见c、h、i、p、q和r）。类似地，与WUM、COM、GRG和SGG-COM相比，SGG-gbm似乎有更多的均方根误差超过3mm的站点（见f、k、o、t和u），显示出其稍差的定位表现。此外，SGG-com和SGG-grg可分别获得与COM和GRG非常相似的均方根误差（见i和n），这是因为SGG-com和SGG-grg计算15分钟的UPDs时使用了COM和GRG的相位/整数钟。总的来说，这些结果说明了所有的相位偏差产品都可以高效地应用于高精度GPS/Galileo PPP-AR。
VI.单BDS PPP-AR定位结果分析
单BDS PPP-AR单天解的位置均方根误差高于GPS/Galileo解。2019年WUM模糊度浮点解PPP在东、北和高三个方向的均方根误差分别为10.8、8.4和32.4 mm，模糊度固定解PPP的均方根误差分别为10.1、8.1和32.2 mm。2019年的大多数情况下，BDS-2 PPP-AR可能结果并不可靠，主要原因是BDS卫星相对较少。当2020年可观测到更多BDS卫星后，BDS-2/BDS-3模糊固定解PPP在东方向定位精度比模糊度浮点解PPP提高了33%。
表 1 2019年和2020年第244至273天单BDS单天解位置均方根误差。1.软件特点
1）支持GPS、GLONASS、Galileo、BDS-2/3和QZSS多系统模块；
2）可处理高达50Hz的GNSS高频数据；
3）使用维也纳映射函数1/3（VMF3）和GPT3进行对流层建模；
4）二阶电离层改正；
5）可应用于大动态移动平台，适用于航空摄影测量、船载重力测量等；
6）接收机钟跳补偿；
7）功能较为完备的轻型Windows应用版本；
8）可处理2000年以前有SA时的GPS数据；
9）可以使用bias-SINEX格式的相位偏差来实现GPS/Galileo/BDS-2/3的PPP-AR。
3.结果展示
3.1 GPS/Galileo/BDS-2/3多系统PPP-AR结果分析
使用PRIDELab发布的bias-SINEX格式的相位偏差产品后，我们可以实现GPS/Galileo/BDS-2/3多系统模糊度固定。如图1所示，固定模糊度前，东、北、高三个方向的位置RMS分别是3.3、1.9、6.1 mm；模糊度固定后，东方向精度改善最大，其余两个方向有较小的精度改善，位置RMS分别为1.8、1.9、5.7 mm。PRIDE PPP-AR II可以处理高达50Hz的超高频数据。我们使用PRIDE PPP-AR II软件对距震中1300公里的HLFY站（位于中国东北部）进行了定位实验，以此展示2011年3月11日05:46:24（UTC时间）发生的日本大地震（震级为9.0）对其带来的影响。如图8所示，黑框区域显示出明显的水平方向的振动，约10 cm。
图 2 日本大地震对HLFY站在东、北、高三个方向的位置影响（cm）。
3.3 大动态数据处理结果分析在航空摄影测量、航空重力测量、船载重力测量等实验中，PRIDE PPP-AR II可以实现大动态数据的PPP-AR。在2017年11月27日于中国海南岛附近实施的航空摄影测量实验（观测时间约5小时，采样率为0.5秒）中，以WayPoint软件（一款国际商用定位软件）的相对定位结果作为参考解（相对定位最大基线长度为170公里）。如图3所示，在遮挡较少的机载实验中，PRIDE PPP-AR II定位精度与商用相对定位软件基本相同。另外，在大动态数据解算中，模糊度固定也能提高定位精度。
图 3 航空摄影测量实验PRIDE PPP-AR II和相对定位解的位置差异（cm）。
3.4 SA时期GPS数据处理结果分析SA时期的GPS观测值、广播星历等产品精度较低，因此需要进行特殊处理。以JPL的第二次重处理的精密卫星时钟/轨道/ERP产品为例，对SA时期的GPS数据进行处理。图4展示了ALBH站在1995年的单天解位置时间序列（以第一天为参考值）。整体上，水平方向实现了2 cm的定位精度，垂向实现了4 cm的定位精度。
图 4 1995年ALBH站的单天解位置时间序列（cm）。
3.5 Windows版本为简化用户数据处理流程、扩大软件适用程度，我们同时推出了轻量化的Windows应用测试版（beta版）。Windows版本通过组织调用在Windows环境下编译的可执行程序完成PPP-AR解算，可在Windows平台实现与Linux版本基本相同的功能。Windows版本只需选择观测值文件路径，即可实现精密产品自动下载与PPP-AR批处理。为了没满足Windows用户不同的数据处理要求，同时提供了解算选项的可视化调整（见图5）。需要注意，可靠、灵活的高精度GNSS数据处理仍然建议在linux或者Mac下执行。
图 5 Windows版本用户界面。
作者简介
耿江辉 教授
武汉大学
▍作者简介耿江辉，武汉大学卫星导航定位技术研究中心教授，入选国际大地测量学会IAG会士，2020年国家杰出青年基金获得者。2004年毕业于武汉大学测绘学院卫星导航专业，2011年获得英国诺丁汉大学卫星大地测量学博士学位。2010年德国地球科学研究中心客座科学家，2011年英国工程科学委员会EPSRC创新研究员，2012年美国Cecil H. & Ida M. Green地球科学基金会Green学者。长期钻研高精度卫星导航定位理论和方法。获英国皇家导航学会New Navigator称号，美国导航学会优秀论文奖，中国国家留学基金委优秀留学生奖，国家科技进步二等奖、教育部高等学校科研优秀成果一等奖和测绘科技进步一等奖等省部级以上奖励。主持国家重点研发计划课题和国家自然科学基金国际合作项目。担任国际大地测量学会GNSS完好性与质量控制分委员会副主席，主持武汉大学国际GNSS服务组织IGS相位偏差分析中心，担任国际空间研究委员会会刊ASR副主编和GPSS、MST等权威SCI期刊编委等，在AGU、IAG等国际权威学术大会做邀请报告和主题讨论十余次。
撰稿：本文作者
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
审校：耿教授
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“BDS/GNSS高精度产品生成/服务/应用（BDS/GNSS high-precision products: strategies, services, and applications）”