GNSS技术发展三部曲

自动驾驶的发展让GNSS技术进入大众视野,通过“三部曲”,解读GNSS三大技术RTK、PPP、LEO的区别。

        GPS是全球发展最早的全球导航卫星系统(GNSS),上世纪七十年代开始研制,直至1993年投入运营。GPS建成之初,其精度可达15-40m。出于军事安全方面的考虑,九十年代初美国政府在GPS卫星实施差别化SA (Selective Availability)政策,在GPS卫星广播星历的轨道参数中加入200m左右的误差,并人为地在卫星钟加入了伪随机抖动,使得民用GPS精度降至100-200m左右。为消除SA政策的影响,网络实时动态定位技术(RTK, Real-Time Kinematic)应运而生;此后,精密单点定位技术(PPP, Precise Point Positioning)的推出又是GNSS技术应用中的一个重要里程碑。

第一乐章 RTK

        近年来随着智能化趋势的加速推进,人们对高精度定位的需求与日俱增。目前,实时动态定位技术(RTK)仍是提供厘米级高精度定位的主要方法。

        RTK技术的基本工作原理为,GPS定位的观测误差(卫星星历误差、卫星钟差、大气延迟等误差)具有较强的空间相关性,因此GPS观测误差对相距不远的两个测站的影响大致相同。若其中一个测站已知精确坐标(基准站),则可求得GPS观测误差对测站坐标的影响,通过数据链路将求得的误差改正数发送给用户终端接收器,用户终端利用基准站播发的误差改正数对定位结果进行修正,就能够消除大部分相同的观测误差,从而提高其定位精度。

图1  RTK工作原理

        为获取载体姿态信息以及实现连续高精度定位,通常又会将GNSS与惯性测量单元(IMU)进行组合构成GNSS/IMU组合导航系统。新纳传感推出的OpenRTK330就是一款高精度多频多模RTK/GNSS接收器,并集成了冗余惯性传感器,在GNSS信号中断期间仍可通过航迹推算保持厘米级精度。OpenRTK330的高性能、低成本和高可靠性,可充分满足自动驾驶市场的定位要求,同时也适用于无人机、机器人、工程机械和精准农业等领域的高精度定位应用。

图2  RTK高精度定位应用领域

第二乐章 PPP

        精密单点定位(PPP)技术的出现,使得不依靠基准站而仅使用单台GNSS接收机就能实现高精度定位成为可能。PPP技术是一种基于状态空间域改正信息的高精度定位模式,从技术发展形式来看,它融合了标准单点定位技术和广域差分技术,在建立少数连续运行参考站的情况下,就可以在全球参考框架下达到厘米级的定位精度。

图3  全球PPP参考站分布图

        PPP利用全球参考站的GPS观测数据计算出的精密卫星轨道和卫星钟差,对单台GPS接收机所采集的相位和观测值进行定位解算,实现为全球任意位置的用户提供可靠的分米级甚至厘米级定位精度服务。由于广域差分GPS修正系统通过地球同步通信卫星作为通信链路,所以用户无需搭建本地参考站或进行数据后处理,就可直接获得较高的精度。

图4  PPP工作原理

        与RTK技术相比,PPP只需要单台接收机、无需架设地面基准站、作业距离不受限制和成本低等优势,因此在区域坐标框架维持和精化、精密授时、地震监测、和电离层监测等方面具有较好的应用前景,并已逐渐成为卫星导航领域的热点研究方向之一。

        但由于PPP存在收敛速度慢以及在运动或复杂环境下信号易受遮挡和干扰的问题,导致其实时性、连续性和可靠性较差,这严重阻碍了其在动态场景中的应用。

第三乐章 LEO

        为了提高卫星导航定位的精度、可用性和完好性,多种卫星导航增强系统被推出。传统的增强方式主要有信息增强和信号增强两大类。但不管是其中任何一种,采用地基增强的系统覆盖范围有限,无法提供全球统一的高精度服务;而传统的GNSS星基增强系统,除了日本的QZSS,均以地球同步轨道卫星作为增强信息播发平台。

        近年来,低轨卫星(LEO, Low Earth Orbit)播发导航信号以增强GNSS导航的构想被提出。低轨全球导航增强系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段由数十至上百颗搭载导航增强有效载荷的低轨卫星构成,主要任务是向各类用户播发导航信息、高中低轨导航卫星增强信息等;地面段包括地面运控系统和地面监测站,共同完成在轨卫星的运行管理和控制;用户端包括各类型用户终端、模块、芯片及配套设备。

图5  低轨卫星导航增强

        LEO导航增强采用低轨道,增强信息播发时延小、传输数据量大;增强信号功率高、抗干扰,能够增强室内、城市峡谷等信号遮蔽区域的服务性能;增强信号也能显著加快PPP收敛速度,为联合定轨和空间天气监测等领域提供更多的有效数据源。在覆盖性方面,虽然LEO单星覆盖面小,但多颗卫星构成的星座,能够提供包括两极地区在内的全球性信号增强。LEO具有地面接收信号强、几何图形变化快的优势,能够与中高轨GNSS星座形成互补,有望实现对导航系统精度、完好性、连续性和可用性的全面增强。

展望

        随着5G技术的发展,空、天、地、海泛在移动通信网络的建立,智能手机、车载导航等移动终端处理能力的提升,综合LEO/RTK/PPP的天地一体化方案有望在不远的将来实现商用化,从而解决当前高精度定位初始化时间长、可靠性偏低等方面的问题,GNSS三大技术最终有望走进千家万户,实现大众应用。

 

关于新纳传感系统有限公司

        新纳传感系统有限公司是全球领先的MEMS传感解决方案提供商,产品线包括基于磁阻薄膜的高频率高带宽电流传感器、高性能代码开源惯性测量单元(IMU)、高精度实时动态(RTK)导航系统和厘米级精度定位服务。公司在中国无锡设有研发与生产基地,并在波士顿、芝加哥和硅谷设有全球研发中心。请访问新纳官网www.aceinna.cn了解更多信息。