高精度定位與相關(guān)技術(shù)

隨著全球定位技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對精準(zhǔn)定位的需求也逐漸增加，GNSS技術(shù)已經(jīng)成為了自動(dòng)駕駛等許多關(guān)鍵領(lǐng)域的基礎(chǔ)，而伴隨著新興技術(shù)的出現(xiàn)與硬需求，GNSS的定位精度要求也越來越高，因此高精定位技術(shù)也越發(fā)重要。

關(guān)于GNSS與定位精度

1.GNSS技術(shù)發(fā)展

GNSS技術(shù)，即全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)，目前有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo和中國的北斗，可以為全球用戶提供高精度的定位、導(dǎo)航和定時(shí)服務(wù)。GNSS系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量在不斷增加，目前已經(jīng)超過100顆。這意味著更多的衛(wèi)星可用于提供全球定位服務(wù)，從而提高了定位的精確性和覆蓋范圍。

2.不同技術(shù)的定位精度

最初的GNSS接收器主要依賴于獨(dú)立單頻測量，其定位精度在5-10米左右。這種技術(shù)僅使用衛(wèi)星的偽距數(shù)據(jù)來計(jì)算位置，精度有限。

在技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，多頻接收器開始廣泛使用，接收器能夠同時(shí)使用不同頻段的信號(hào)。這提高了信號(hào)的質(zhì)量和精度，并有助于減小定位誤差，其定位精度約在3-5m。

隨著GNSS技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，來越多的增強(qiáng)方法被應(yīng)用到GNSS技術(shù)中，如基于偽距的距離修正和誤差建模，允許對衛(wèi)星信號(hào)的誤差進(jìn)行建模和校正，從而提高了定位精度。即通過糾正大氣延遲、鐘差、衛(wèi)星軌道誤差等因素，可以將位置精度提高到1-3米，可以實(shí)現(xiàn)在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的高精度定位，包括民航、農(nóng)業(yè)、測繪等。

目前，GNSS技術(shù)已經(jīng)演進(jìn)到了能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位的階段，包括使用載波處理技術(shù)來處理衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)施更精確的誤差建模，以及采用RTK（實(shí)時(shí)差分定位）和PPP（精密點(diǎn)對點(diǎn)）技術(shù)。使用這些方法，定位精度可以進(jìn)一步提高到小于1米，滿足了對精準(zhǔn)定位的高要求，如測繪、自動(dòng)駕駛汽車、無人機(jī)和精密農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的需求。

3.定位誤差與消除方法

（1）誤差來源

然而由于設(shè)備、環(huán)境、衛(wèi)星位置等各種原因，GNSS定位不是完全準(zhǔn)確的，會(huì)受到多種誤差的影響，導(dǎo)致最終的定位有所偏差。常見的誤差來源有：

● 電離層誤差（lonospheric errors）

● 對流層誤差（Tropospheric errors）

● 衛(wèi)星軌道誤差（Satellite orbit errors）

● 衛(wèi)星時(shí)鐘誤差（Satellite clock errors）

● 傳輸噪聲與多徑（RX noise and multipath）

● 接收機(jī)時(shí)鐘誤差（Receiver clock errors）

● 用戶等效測距誤差（UERE，user equivalent ranging error）

● 水平精度因子（HDOP，horizontal dilution of precision）

（2）如何消除誤差

對于電離層誤差，其影響因素主要是仰角、頻率、正上方電子總量TEC，我們可以通過嵌入klobuchar電離層模型參數(shù)進(jìn)入導(dǎo)航信息，降低近50%的誤差。此外，也可以通過多頻方法，獲取電離層自由偽距參數(shù)，采用距離校正計(jì)算，幾乎可以消除電離層誤差。

此外通過引入地面觀測站的方式可以實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、電離層誤差、對流層誤差的減少或消除。根據(jù)覆蓋區(qū)域和實(shí)現(xiàn)方式不同實(shí)現(xiàn)機(jī)制主要有兩種：

● Observation Space Representation，觀測域校正——小范圍校正，直接利用基站進(jìn)行校正信息傳輸，例如RTK。

● State Space Representation，狀態(tài)域校正—— 大范圍乃至全球覆蓋，利用中心處理站解算與處理校正信息，并利用互聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等傳輸，例如PPP。

（3）通過雙差分方式消除接收機(jī)誤差

雙差分（Double-Difference）是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）定位中的一種差分定位方法，旨在減小或消除定位中的一些誤差來源。與單差分定位不同，雙差分同時(shí)考慮了兩個(gè)接收器之間的相對位置差異以及兩個(gè)衛(wèi)星之間的相對位置差異。這個(gè)方法在相對定位和高精度定位應(yīng)用中非常有用。通過該方式可以有效減小或消除衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、電離層誤差、對流層誤差，此外還可以消除接收機(jī)鐘差。

（4）其他辦法

此外，可以配之其他復(fù)雜方法，削弱或消除多徑與噪聲影響，如載波模糊度解算與基線處理。

RTK、PPP與RTK-PPP技術(shù)

1.RTK技術(shù)

RTK（Real-Time Kinematic）技術(shù)基于兩個(gè)GNSS接收器，其中一個(gè)充當(dāng)基準(zhǔn)站，另一個(gè)作為流動(dòng)站。基準(zhǔn)站精確定位并連續(xù)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)，而流動(dòng)站接收衛(wèi)星信號(hào)以定位自身，并從基準(zhǔn)站獲取包含校正數(shù)據(jù)的RTCM信息來通過差分運(yùn)算校正誤差。這一過程實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)的高精度三維實(shí)時(shí)定位，依賴于實(shí)時(shí)傳輸?shù)男Ｕ龜?shù)據(jù)，適用于測繪、建筑、農(nóng)業(yè)、無人機(jī)導(dǎo)航等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

RTK技術(shù)的主要特點(diǎn)是在實(shí)時(shí)中提供毫米級(jí)別的定位精度。RTK是基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的直接校正信息傳輸，因此可以解決衛(wèi)星、傳輸軌跡以及接收機(jī)本身的誤差問題，但覆蓋區(qū)域小，并且精度隨著兩者之間的距離增加而降低。

2.PPP技術(shù)

PPP（Precise Point Positioning）技術(shù)是一種高精度的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）定位技術(shù)，它是一種廣域的部署方案，通過CPF解算衛(wèi)星誤差并傳輸給接收機(jī)做校正，允許用戶實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的三維位置精度，而無需依賴差分基站。與差分定位技術(shù)不同，PPP技術(shù)不需要在接收器和差分基站之間建立通信鏈接。用戶只需單獨(dú)的GNSS接收器和訪問PPP校正數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)連接，即可進(jìn)行高精度定位。PPP技術(shù)適用于全球范圍，因?yàn)樗灰蕾囉谔囟ǖ乩韰^(qū)域內(nèi)的差分基站，只需有足夠的衛(wèi)星可見性即可進(jìn)行定位。但通常需要更長收斂時(shí)間的衛(wèi)星信號(hào)觀測來實(shí)現(xiàn)高精度，因此對于需要長時(shí)間持續(xù)定位的應(yīng)用更為適用。

3.二者的對比

本質(zhì)上來講，這兩種技術(shù)都是在傳統(tǒng)GNSS定位的基礎(chǔ)上，使用增強(qiáng)技術(shù)來提高GNSS定位精度的，是在不同校正域上的延伸與實(shí)現(xiàn)。

4.PPP-RTK技術(shù)

在上述的介紹中可以發(fā)現(xiàn)，RTK技術(shù)與PPT技術(shù)各有優(yōu)劣——RTK定位時(shí)間快，但是覆蓋距離小；PPP定位精度高，全球覆蓋，但是收斂時(shí)間慢，且部署成本較高。隨著需求和技術(shù)的發(fā)展，將PPP與RTK結(jié)合的技術(shù)（PPP-RTK）也出現(xiàn)了。

PPP-RTK是未來的主流與趨勢，PPP-RTK狀態(tài)域具備完好的服務(wù)優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)全覆蓋、高精度、收斂快的高精度GNSS定位技術(shù)。

其主要原理為使用全球基站確定衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差；使用區(qū)域基準(zhǔn)站對電離層誤差、對流層誤差等區(qū)域性誤差進(jìn)行了分析，建立整網(wǎng)的電離層延遲、對流層延遲等誤差模型；并將全球和區(qū)域的誤差產(chǎn)品發(fā)送給移動(dòng)終端進(jìn)行定位。總的來看，具有以下優(yōu)勢：

● 全國覆蓋

PPP-RTK僅需不超過1000基站即可實(shí)現(xiàn)全國覆蓋，極大減少基站建設(shè)的成本投入，提高服務(wù)覆蓋范圍。

● 單向播發(fā)

PPP-RTK采用單向廣播模式，更易實(shí)現(xiàn)海量用戶并發(fā)。同時(shí)，單向播發(fā)的服務(wù)模式能有效的保護(hù)用戶隱私。

● 連續(xù)性

PPP-RTK對各項(xiàng)誤差采用廣域統(tǒng)一建模，提供全國范圍內(nèi)的無縫連續(xù)定位服務(wù)。

● 完好性

PPP-RTK通過將GNSS各類誤差分別建模并提供給用戶，各類誤差相互獨(dú)立，可分別進(jìn)行完好性監(jiān)測并生成相應(yīng)的完好性產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)功能安全。

如何進(jìn)行高精度GNSS測試

可以看到近些年依托于GNSS的高精定位技術(shù)發(fā)展迅猛，大量的新技術(shù)，新應(yīng)用，新方向?qū)映霾桓F。如何在項(xiàng)目前期進(jìn)行相關(guān)算法、環(huán)境、項(xiàng)目與技術(shù)的測試與檢驗(yàn)，成為了一個(gè)重要的話題。

1.怎么樣的GNSS測試方法是好的測試？

（1）可重復(fù)性，可控性

進(jìn)行高精度的GNSS測試需要在可重現(xiàn)和可控的環(huán)境中對GNSS接收器進(jìn)行測試，特別是在項(xiàng)目的初期，當(dāng)有很多參數(shù)和特性還不清楚時(shí)。通過高效且準(zhǔn)確地控制測試場景和環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)精確的一致重復(fù)性測試，這對于項(xiàng)目的快速推進(jìn)和問題的解決至關(guān)重要。

（2）可操作性

進(jìn)行GNSS測試需要能支持對于設(shè)備與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作，例如按照特定需求來設(shè)置制定的時(shí)間、地點(diǎn)信息，注入特定的“錯(cuò)誤”和相應(yīng)的校正數(shù)據(jù)等，用于對設(shè)備進(jìn)行確定性驗(yàn)證與可預(yù)期的功能測試。

（3）HIL能力：

伴隨著GNSS與定位導(dǎo)航產(chǎn)品的集成度越來越高，GNSS測試需要能夠接入現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在環(huán)仿真，允許工程師近乎真實(shí)的模擬與測試應(yīng)用場景，以驗(yàn)證其性能和功能，減少潛在風(fēng)險(xiǎn)，加快產(chǎn)品開發(fā)，并提高系統(tǒng)質(zhì)量，因此要求測試能夠支持在組件或整車級(jí)別將系統(tǒng)作為“黑匣子”進(jìn)行測試。

（4）實(shí)時(shí)性：

在測試GNSS時(shí)，尤其是應(yīng)用HIL仿真方式時(shí)，需要能夠使用來自實(shí)時(shí)GNSS的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)校正數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。系統(tǒng)的延遲越低，實(shí)施性越好，在自動(dòng)駕駛與高精定位行業(yè)的應(yīng)用是十分重要的，一方面有助于真實(shí)模擬極限情況下的決策與響應(yīng)能力，另一方面如果延遲太高，就會(huì)導(dǎo)致測試系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)與實(shí)際硬件的響應(yīng)之間存在差異，從而影響測試的準(zhǔn)確性。高延遲可能導(dǎo)致測試結(jié)果不可靠，甚至誤導(dǎo)性，因此需要盡量降低延遲以獲得可靠的HIL測試結(jié)果。

（5）性價(jià)比：

由于高精GNSS測試需要對現(xiàn)有的測試方案做改進(jìn)，在面向新興應(yīng)用時(shí)都希望測試系統(tǒng)足夠高效，減少所需的時(shí)間和資源；此外，在面對測試標(biāo)準(zhǔn)與方式有改變時(shí)，現(xiàn)有測試方案可以快速迭代、改變并無需花費(fèi)大量的成本。

2.測試方法

GNSS模擬器是GNSS高精測試的關(guān)鍵產(chǎn)品，是基于軟件定義架構(gòu)的GNSS模擬器，是依托“依托軟件引擎，開放硬件平臺(tái)，高效開放地完成GNSS仿真”的自有Skydel GNSS仿真引擎的全面解決方案。

GNSS模擬器可以模擬接收機(jī)的接收口徑上的GNSS信號(hào)，模擬不同衛(wèi)星的信號(hào)(包括位置、速度、時(shí)間信息)，模擬誤差和干擾，如多徑效應(yīng)、大氣延遲等，實(shí)現(xiàn)近乎真實(shí)的場景模擬。

可以幫助用戶最大程度上高效快速的完成各階段測試：

① 在Tier1、Tier2或供應(yīng)商處進(jìn)行接收器開發(fā)驗(yàn)證，通過輻射或傳導(dǎo)方式對待測件的GNSS功能做實(shí)驗(yàn)室級(jí)別測試。

② ECU/TCU Tier1、汽車原始設(shè)備制造商（OEM）或移動(dòng)運(yùn)營商實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行前期的ECU/TCU和整車的GNSS功能測試，結(jié)合基站模擬器完成對GNSS+5G的融合測試。

③ ECU/TCU Tier1和汽車原始設(shè)備制造商（OEM）進(jìn)行完全迫真的GNSS全面功能測試，完成結(jié)合5G，GEO網(wǎng)絡(luò)，RTK/PPP基站等的全面高精度GNSS定位測試，對RTK，PPP，RTK-PPP設(shè)備的功能與性能進(jìn)行完整的驗(yàn)證與測試。

GNSS仿真測試在未來自動(dòng)駕駛等新興領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，用于提前確保定位導(dǎo)航功能的可靠性。GNSS模擬器是實(shí)現(xiàn)GNSS高精度測試的關(guān)鍵工具，為用戶提供了可控和可重復(fù)的測試方案，同時(shí)允許用戶實(shí)時(shí)編輯和定義自己的GNSS仿真測試場景。利用GNSS模擬器，用戶可以實(shí)現(xiàn)小于5 ms延遲的HIL閉環(huán)仿真，使測試盡可能接近真實(shí)情況。該模擬器基于軟件定義架構(gòu)，為用戶提供了靈活性和可擴(kuò)展性，使其能夠適應(yīng)未來測試需求的變化；而這樣的架構(gòu)，不僅保證了整體成本的合理性，還提供了出色的性價(jià)比。

自動(dòng)駕駛與高精度定位的其他技術(shù)

1.什么是POS？

高精度POS（positioning and orientation system）即定位定姿系統(tǒng)，是指一種精確測量和確定物體在地球表面或三維空間中的準(zhǔn)確位置的技術(shù)。高精度POS通常倚賴衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如全球定位系統(tǒng)，GPS）的精確測量，以及其他傳感器（如慣性測量單元，IMU）和校準(zhǔn)技術(shù)，以提供高精度的位置信息。

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域里，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟和自動(dòng)駕駛行業(yè)的逐漸發(fā)展，對數(shù)據(jù)精度的要求越來越高，其中高精度POS將逐步取代GNSS定位與IMU作為源數(shù)據(jù)的來源，提供更高精度、形式更豐富的自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)。

2.什么是DGNSS？

差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（DGNSS），是對GNSS的增強(qiáng)，旨在糾正GNSS系統(tǒng)中的部分錯(cuò)誤和不準(zhǔn)確性，從而提供更準(zhǔn)確的定位信息。通常，訪問校正信息可使差分GNSS接收器比其他接收器更準(zhǔn)確；消除這些誤差后，GNSS接收器有可能達(dá)到高達(dá)10厘米的精度。

該系統(tǒng)所基于的假設(shè)是，彼此非常接近（例如，在幾百公里內(nèi)）的任何兩個(gè)接收器都將經(jīng)歷相同的大氣誤差。因此，差分GNSS使用至少兩個(gè)GNSS接收器。一個(gè)接收器必須位于一個(gè)精確的已知位置；這個(gè)接收器用作基站或參考站，另一個(gè)稱為流動(dòng)接收器。基站接收器計(jì)算其由GNSS衛(wèi)星計(jì)算出的位置與其實(shí)際已知位置之間的差異。差異是糾錯(cuò)因子，然后將其傳輸?shù)搅鲃?dòng)接收器（或多個(gè)流動(dòng)接收器）以校正其測量結(jié)果。可以使用無線電信號(hào)在現(xiàn)場實(shí)時(shí)應(yīng)用更正后的信息。

差分GNSS可以使用固定的地面參考站網(wǎng)絡(luò)來發(fā)送GNSS衛(wèi)星廣播的位置與已知固定位置之間的差異。DGNSS可以指任何類型的地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS），全世界有許多正在使用的地面系統(tǒng)。

從軌道衛(wèi)星而不是地面發(fā)射器傳輸校正的類似系統(tǒng)稱為WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)）或WADGPS（廣域差分全球定位系統(tǒng)）。有時(shí)作為同義詞使用，基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng) (SBAS) 可以包括軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，它已在世界其他地區(qū)實(shí)施，例如EGNOS、MSAS、QZSS和GAGAN。如今，大多數(shù)商業(yè)GNSS接收器都支持一種帶有SBAS的差分校正形式。

RTK就是在DGNSS的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用衛(wèi)星信號(hào)的載波相位對這種情況進(jìn)行了修正，因此可以使定位精度進(jìn)一步達(dá)到厘米級(jí)。

3.什么是A-GNSS？

A-GNSS（Assisting-GNSS，輔助GNSS，又稱網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)衛(wèi)星定位系統(tǒng) ）是一種GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)，通常可以顯著提高全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的啟動(dòng)性能，即首次定位時(shí)間（TTFF）。利用普通的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，傳送增強(qiáng)校正數(shù)據(jù)，加強(qiáng)或者加快衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的搜索跟蹤性能與速度，可以明顯縮短接收機(jī)的首次定位時(shí)間，同時(shí)可以在受到一定遮擋的情況下（或者半開闊區(qū)域），也能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位。

所提供的輔助信息，包括導(dǎo)航衛(wèi)星的歷書、星歷、頻率范圍、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和近似位置等。通過提供輔助信息，使GNSS接收機(jī)在捕獲之前就知道應(yīng)該捕獲的頻率范圍，然后輔助數(shù)據(jù)再提供用來計(jì)算GNSS用戶位置的衛(wèi)星所在位置。一旦捕獲衛(wèi)星信號(hào)后，剩下的工作就是偽距的測量（僅僅需要幾毫秒，而不是幾分鐘），然后A-GNSS接收機(jī)開始計(jì)算用戶的位置。首次定位時(shí)間從1分鐘或者幾分鐘量級(jí)縮短到1秒量級(jí)。此外，由于A-GNSS接收機(jī)被設(shè)計(jì)為預(yù)先知道需要搜索哪個(gè)頻率，接收機(jī)的信號(hào)搜索跟蹤過程就變得較為簡單，有針對性地壓縮接收機(jī)搜索頻帶，降低噪聲帶寬，增加信號(hào)能量的累計(jì)時(shí)間，從而增加了A-GNSS接收機(jī)的靈敏度，并允許它捕獲更弱的信號(hào)。