Galileo高精度定位服务实时精密单点定位性能分析
引用：[1] 孟子恒,高猛,曹志华,等. Galileo高精度定位服务实时精密单点定位性能分析[J]. 测绘科学, 2024, 49 (08): 1-8. DOI:10.16251/j.cnki.1009-2307.2024.08.001.
摘要：针对目前Galileo高精度定位服务(HAS)处于初始服务阶段，服务性能尚不明确的的问题，该文选择了全球范围内的40个测站并从收敛时间以及定位性能方面进行分析。结果表明，静态模式下使用HAS产品，Galileo、GPS和GPS+Galileo均有50%以上的测站能在20 min内完成收敛；动态模式下Galileo有50%以上的测站在20 min以内完成收敛。在静态模式下，使用HAS的GPS定位精度在E方向和U方向较差，分别为4 cm和4.3 cm;在动态模式下，当使用HAS时，Galileo在高程方向相对于GPS有较大的提升，平面方向也有2 cm以上的提升。实验表明，使用Galileo HAS时，在静态模式下的平均收敛时间短于20 min,动态模式下短于36 min,并且静态模式下能够提供厘米级的定位精度，能够满足实时高精度定位需求。
0 引言
精密单点定位是一种低成本、高精度的定位技术，可以实现厘米级定位需求 [1-5] 。然而该技术受限于产品的时效性，由于国际GNSS服务组织(International GNSS Service, IGS)产品发布的滞后时间较长，因此文献 [6]提出了实时(real-time, RT)精密单点定位(precise point positioning, PPP)技术。RTPPP技术最重要的是实时卫星轨道和钟差产品，因此各导航系统纷纷开始提供增强服务来提高轨道钟差精度。如中国发布了北斗卫星导航系统(Beidou navigation satellite system, BDS)PPP-B2b增强服务，日本发布了准天顶卫星系统(quasi-zenith satellite system, QZSS)的厘米级增强服务(centimeter-level augmentation service, CLAS)。其中QZSS的CLAS增强在日本地区能够达到厘米级的定位精度 [7] ,BDS PPP-B2b在实时动态模式下能够提供分米级的定位精度 [8-10] 。
基于上述情况，欧盟委员会开发了伽利略(Galileo satellite navigation system, Galileo)高精度服务(high accuracy service, HAS)。这项服务将通过Galileo E6信号和互联网协议(networked transport of RTCM via internet protocol, NTRIP)向全球播发，提供实时轨道、钟差和伪距偏差改正数 [11] 。文献 [12]开发了HASlib软件，将HAS改正信息转换为国际海运事业无线电技术委员会(radio technical commission for maritime services, RTCM)格式。文献 [13]开发了GHASP软件，用于解码各种接收器接收到的HAS改正并应用于PPP。文献 [14]测试了HAS在阶段0的产品性能，结果表明HAS改正后的GPS和Galileo的空间信号测距误差(signal-in-space range error, SISRE)分别为12～16 cm和7～9 cm。文献 [15]使用2021年5月的数据测试了GPS和Galileo的定位性能，能都达到官方预期的水平方向20 cm, 垂直40 cm的定位精度。文献 [16]测试了HAS 2022年的PPP定位性能，结果表明，95%的测站在水平和垂直方向定位精度能达到13.1 cm和18.6 cm。文献 [17]在海上接收了2023年7—8月期间的HAS数据，在去除海上干扰后在水平方向精度能够达到0.22 m(95%)和0.13 m(68%)。文献 [18]重点分析了HAS在时间传递方面的性能，证明了对于较短的基线，HAS可以提供与CODE产品相当的稳定性，但是这种稳定性随着距离的增加而变差。
本文采用BNC软件来接收HAS的改正数，Galileo服务中心(Galileo Service Centre, GSC)以状态空间表述(state space representation, SSR)格式向用户发送HAS改正，播发间隔为10 s。同时接收了武汉大学(Wuhan University, WHU)分析中心播发的SSR产品，选取了全球范围内的40个测站进行了7 d的RTPPP处理，从收敛时间和定位精度两方面分析了HAS服务的性能。
1 Galileo HAS服务
Galileo HAS服务共分为3个阶段，分别为阶段0(测试阶段)、阶段1(初始服务)和阶段2(全服务) [11] 。在测试阶段测试了Galileo通过E6信号进行播发的能力并进行了简单的用户测试，该测试在2021年上半年开始。在2023年1月24日，欧盟宣布了Galileo HAS开始提供初始服务，初始服务只提供服务级别1(service level 1,SL1)。截止至2024年3月仍处于初始服务阶段。在未来的阶段2,将提供SL1和服务级别2(service level 2,SL2)的全服务，SL1以及SL2如表1所示。
Galileo HAS在E6-B信号组件的C/NAV页中以1 278.75 MHz的载波频率传输，最大速率为每秒448 bit [19] 。C/NAV页通过里德-所罗门方案进行编码，便于用户接收 [20] 。每个C/NAV页面每秒发送一次，包含以下几块消息：掩码、轨道改正、钟差改正、伪距偏差和相位偏差。在HAS轨道改正中，最小值表示HAS改正量不可用，不能使用该卫星(-10.237 5 m为径向改正，-16.376 m为切向和法向改正)。在HAS钟差改正中，最小值(-10.237 5 m)告知用户数据不可用，最大值(10.237 5 m)告知用户该卫星不能使用。伪距偏差块包含伪距偏差(-20.46表示数据不可用),相位偏差块包含相位偏差(-10.23表示数据不可用)。当卫星发生异常时，这些功能非常重要，可以告知用户减少对它们的使用。
HAS改正也通过地面传播方式进行传播，Galileo互联网数据分发协议(internet data distribution, IDD)是基于类似RTCM格式的互联网协议(networked transport of RTCM via internet protocol, NTRIP)。用户可以在Galileo官网进行注册，经批准的用户将收到HAS的IDD文件，该文件中详细描述了网络改正的格式和用法。
2 Galileo HAS实时钟差轨道恢复
Galileo HAS通过互联网播发的改正数是RTCM格式的。HAS的轨道改正是在卫星坐标系统(satellite coordinate system, SCS)下的，由径向(radial, R)、切向(along-track, A)和法向(cross-track, C)分量组成。
3 实验分析
本文选取了全球范围内平均分布的40个MGEX测站并使用GPS、Galileo、GPS+Galileo共3种组合来进行双频PPP处理(GPS为L1/L2,Galileo为E1/E5a),测站的坐标真值可以在“IGS0OPSSNX_2023DDD0000_01D_01D_CRD.SNX”文件中获取。由于Galileo官方文件中定义的收敛为水平方向20 cm,垂直方向40 cm,本文为验证其在高精度服务中的收敛性能，规定当连续10个历元均满足以上两个条件时，认为该测站达到收敛。测站的具体分布如图1所示。
本文采用(BKG ntrip client,BNC)软件接收了2023年333—339日的HAS改正数以及武汉大学实时产品。HAS是Galileo发布的增强服务产品，而武汉大学的SSR产品为目前常用的实时流产品，因此本文选取了武汉大学的SSR产品用于对比分析HAS增强服务的定位性能。采用了7°的截止高度角来剔除接近地平线的卫星，同时由于潮汐会对定位产生厘米级影响 [21] ,因此本文采用IERS2010模型进行改正，具体的PPP处理策略如表2所示。
图2和图3分别为全球40个测站对GPS和Galileo的平均可见卫星数以及PDOP值。由图2可得，大部分测站的GPS可见卫星数目要多于Galileo。在欧洲地区，GPS的卫星数目平均为8颗，而Galileo为7颗，但是在亚洲地区两个系统的平均卫星数目相差不大，并且在GPS在全球个别测站能够达到9颗左右的卫星数目。由图3可得，对于欧洲地区，GPS的平均PDOP值要低于Galileo, 由于此区域GPS卫星数目多，空间几何构型好。在亚洲以及其他区域，两个系统的平均PDOP值相差不大。
图4统计了使用HAS和WHU产品时在不同系统下的收敛时间分布。由图4可得，在静态模式下对于单系统，使用WHU产品时收敛速度更快，WHU产品在0～10 min收敛的测站数量要多于使用HAS产品；当使用HAS产品时，Galileo的收敛性能要优于GPS,Galileo在0～10 min内收敛的测站达到23%,而GPS仅有8%。在动态模式下当使用HAS产品时，Galileo的收敛时间也要优于GPS,Galileo在0～10 min和10～20 min内收敛的测站百分比要高于GPS,这说明了当使用HAS进行RTPPP时，Galileo的收敛性能要优于GPS。
表3统计了当使用不同产品时不同系统下40个测站7 d的平均收敛时间。由表可得，无论静态模式还是动态模式，使用WHU产品的平均收敛时间均要优于HAS的收敛时间，在静态模式下收敛时间短3～5 min, 动态模式下收敛时间相差最大的为GPS,WHU的收敛时间比HAS缩短了17 min。当使用HAS产品时，在单系统静态和动态模式下，Galileo的收敛时间均要优于GPS。由于GPS收敛较差，因此引入GPS的双系统组合中，收敛时间并没有明显的优于Galileo。在动态模式下，Galileo的收敛时间要明显优于GPS,Galileo平均收敛时间相较于GPS缩短了14 min。
图5统计了不同产品在不同模式下40个测站的平均RMS值。由图可得，对于HAS产品，除静态模式下的N方向GPS的误差小于Galileo, 其余各方向上Galileo的定位精度均要优于GPS,这与HAS产品提供的Galileo轨道钟差精度更优于GPS有关系 [22] 。在静态模式下，使用HAS时的Galileo的E方向和U方向的定位精度分别为2.6 cm和2.3 cm, 而GPS为E方向和U方向分别为4 cm和4.3 cm。当使用WHU产品时定位精度要优于HAS,对于GPS系统在高程方向上定位精度提高2 cm, 平面方向提升1 cm以上；对于Galileo, 高程方向提高0.6 cm, 平面方向提高1 cm。在动态模式下，使用HAS时，Galileo在高程方向上相较于GPS定位精度提升3.8 cm, 平面方向有2 cm的提升，并且在双系统组合时，相比于Galileo在任一方向均有2 cm以上的提升。当使用WHU实时产品时，单系统以及双系统组合下的定位精度均要由于HAS,并且当使用GPS时两个产品定位精度相差最大，高程方向可达10 cm以上，平面方向也有6 cm以上的差距。
根据表3的收敛时间以及图5的定位精度对比能够看出，在目前的服务阶段，Galileo HAS服务在全球范围内的性能要稍差于武汉大学的SSR产品，这与HAS服务目前处于启步阶段有关系。同时本文选取的40个测站为全球分布，根据官方文档中的叙述，HAS将为欧洲区域内提供精度更高的服务，因此表4统计了HAS在欧洲区域与非欧洲区域的定位性能。
为了便于分析Galileo HAS在全球不同区域内的定位性能，表6统计了欧洲区域以及非欧洲区域内的定位精度和收敛时间。由表可得，HAS在欧洲区域内的定位精度以及收敛时间在静态和动态模式下均要优于非欧洲区域，造成这种结果的原因与HAS的服务区域有密不可分的关系，HAS能为欧洲能够提供更高精度增强服务，并且欧洲区域的单Galileo的收敛时间相较于单GPS有明显缩短。
为了更好地验证HAS的收敛性能，将336 d分成了8个时间段，每隔3 h重新收敛一次。图6为ORID测站在2023年第336 d不同时间段内的时间序列。由图6可得，尽管在静态模式下使用HAS达到收敛后的波动要大于使用WHU产品，但是使用HAS依旧可以在较短的时间内完成收敛，并且收敛后的定位误差都在10 cm以内。在动态模式下，当使用HAS达到收敛以后，定位误差以及波动要比使用WHU的产品大，但是在水平方向以及高程方向上的波动均小于本文定义的水平方向20 cm和高程方向40 cm的阈值，因此能够说明HAS的收敛性能在实时动态模式下可以满足日常高精度定位的需求。
4 结束语
通过采集2023年333—339天的HAS改正数据，以及全球范围内的40个测站，对Galileo HAS服务进行了较为全面的评估，结论如下：
1)在收敛性能方面，Galileo HAS的收敛时间要差于WHU播发的实时产品。在静态模式下使用HAS产品，Galileo和GPS均有50%以上的测站在20 min内完成收敛，动态模式下Galileo有50%以上的测站在20 min以内完成收敛。同时静态模式下GPS、Galileo和GPS+Galileo使用HAS产品平均收敛时间分别为19.53、17.71和17.82 min, 静态模式下GPS收敛较慢，为35.11 min, Galileo和GPS+Galileo平均收敛时间分别为21.01 min和20.42 min。
2)在定位精度方面，当使用HAS产品时，Galileo的定位精度要优于GPS,主要是因为HAS产品的Galileo的轨道钟差精度优于GPS;静态模式下，使用HAS的GPS定位精度较差，但是依旧能达到水平方向优于4 cm, 高程方向优于5 cm的定位精度；在动态模式下，当使用HAS,Galileo在高程方向精度比GPS有较大的提升，水平方向精度有2 cm的提升，GPS/Galileo双系统组合定位精度在N、E、U方向上分别为3.68、4.91、8.68 cm, 能够满足实时动态高精度的定位需求。
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