完整性：您真的能相信您的 GPS 位置嗎？
彈性 GPS/GNSS 接收器可保護(hù) INS 系統(tǒng)免受干擾和欺騙
盧瓦爾河谷的法國葡萄園景色優(yōu)美，但該農(nóng)場在招募工人為有機(jī)種植的葡萄除草方面遇到了困難。年輕一代已移居城市，導(dǎo)致城市社區(qū)勞動力短缺。解決方案：由法國錫蒂亞公司開發(fā)的全自動拖拉機(jī)，不知疲倦地為葡萄藤之間的狹窄行除草。經(jīng)過整整一個(gè)月的除草和數(shù)百公里的覆蓋后，Sitia 找到農(nóng)民檢查所做的工作，并賠償了在運(yùn)營一個(gè)月期間受損的 2 棵葡萄藤。他們驚訝地聽到農(nóng)民驚呼：“當(dāng)我用手動拖拉機(jī)完成同樣的工作時(shí)，我每天至少損壞兩棵葡萄樹！你的機(jī)器人怎么能這么小心呢？” 高度的準(zhǔn)確性和完整性確保了自主操作的高質(zhì)量。
但定位的完整性到底是什么？它如何影響機(jī)器人和其他自主機(jī)器的性能和可靠性？完整性是指定位和定位精度信息的真實(shí)性，即使這意味著在某些具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中表明當(dāng)前位置信息并不如預(yù)期的準(zhǔn)確。提供高完整性定位的一部分是稱為 RAIM 或 RAIM+ 的統(tǒng)計(jì)分析，后者將這種分析提升到一個(gè)新的水平，作為更大的定位保護(hù)包的一部分。
為什么完整性對于自動化至關(guān)重要？
讓我們仔細(xì)研究一下 GNSS 接收器的完整性，即真實(shí)報(bào)告可能的定位誤差，以及過于樂觀的報(bào)告如何導(dǎo)致危險(xiǎn)的自主操作。接收器精度的報(bào)告是通過定位不確定性來完成的，定位不確定性是計(jì)算位置的最大可能誤差。它給人一種定位誤差風(fēng)險(xiǎn)的感覺，在具有挑戰(zhàn)性的 GNSS 環(huán)境中尤其必要，在這種環(huán)境中，接收器只能“看到”有限數(shù)量的 GNSS 衛(wèi)星，或者 GNSS 信號質(zhì)量下降。
圖 1 在良好的 GNSS 條件下，藍(lán)線所示的位置不確定性完全在警報(bào)限值內(nèi)，表明運(yùn)行安全。接收器的實(shí)際位置應(yīng)始終保持在藍(lán)色不確定性邊界內(nèi)。
此類錯(cuò)誤報(bào)告對于所有自主機(jī)器都很重要，尤其是對于有保證的 PNT 應(yīng)用和關(guān)鍵任務(wù)操作。請記住，一致的位置可能看起來準(zhǔn)確，但仍然可能不正確。定位不確定性表明您在任何給定時(shí)刻可以在多大程度上依賴定位精度。
下圖中的藍(lán)線顯示了 GNSS 接收器在有利條件下估計(jì)的位置不確定性，此時(shí)天空視野暢通無阻，并且接收器與許多衛(wèi)星具有直接視線。接收器操作員可以設(shè)置警報(bào)限制（以紅色顯示），以便接收器可以在定位不確定性變得太大時(shí)標(biāo)記情況。
在有利的條件下，定位不確定性遠(yuǎn)低于警報(bào)限值，因?yàn)橛?jì)算出的位置幾乎與機(jī)器人的實(shí)際位置相同。然而，在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中，定位不確定性的真實(shí)性變得至關(guān)重要（見圖 2）。例如，當(dāng)天空的視野被建筑物或樹葉部分遮擋時(shí)，接收器只能訪問有限數(shù)量的 GNSS 衛(wèi)星，從而更難以計(jì)算準(zhǔn)確的位置。在這種情況下，接收器必須報(bào)告更高的定位不確定性，以便系統(tǒng)可以采取適當(dāng)?shù)拇胧?，例如切換到較低的速度、遠(yuǎn)離預(yù)定義的邊界或停止。
圖 2 在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中，具有高完整性的接收器報(bào)告較大的定位不確定性，向系統(tǒng)標(biāo)記可能的不準(zhǔn)確性。如果接收器對其精度過于樂觀，操作就會變得危險(xiǎn)。
低完整性接收器可能會持續(xù)報(bào)告樂觀的定位不確定性，即使計(jì)算出的位置遠(yuǎn)離實(shí)際位置，該不確定性也仍低于預(yù)設(shè)警報(bào)限制。這個(gè)數(shù)字可能看起來不錯(cuò)，但實(shí)際上它變成了一個(gè)“逍遙的機(jī)器人”，不再按照計(jì)劃的路徑行駛，并有損害自身和周圍環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。
讓我們看看在城市峽谷進(jìn)行 GNSS 汽車測試時(shí)的不確定性限制，那里的天空視野被房屋部分遮擋。橙色線是馬賽克報(bào)告的定位及其不確定性邊界汽車中的 GNSS 模塊，而紅線是另一種流行的 GNSS 接收器報(bào)告的定位及其不確定性邊界。白線顯示汽車沿道路行駛時(shí)的實(shí)際位置。馬賽克接收器的橙色不確定性邊界是真實(shí)的，并且在這種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中稍微寬一些，您可以看到實(shí)際位置始終保持在這些邊界內(nèi)。另一方面，紅色軌跡在道路上某個(gè)具有挑戰(zhàn)性的地方偏離了路線，實(shí)際位置不再處于不確定性邊界內(nèi)，這仍然過于樂觀。在這種情況下，競爭對手的接收器會產(chǎn)生錯(cuò)誤的安全感，并且系統(tǒng)不知道其危險(xiǎn)操作。
圖 3：在城市峽谷汽車測試中，Septentrio 接收器報(bào)告真實(shí)的位置不確定性。競爭對手的接收器似乎更準(zhǔn)確，而實(shí)際位置甚至不在其報(bào)告的不確定性邊界內(nèi)。
例如，如果紅線所示的接收器將為 ADAS 汽車系統(tǒng)提供導(dǎo)航信息，則可能會誤導(dǎo)系統(tǒng)認(rèn)為汽車換了車道。如果系統(tǒng)隨后嘗試通過切換回“正確車道”來糾正軌跡，這將導(dǎo)致汽車偏離路線，并可能撞到人行道甚至另一輛車。
圖 4：在 Septentrio 接收器中，RAIM+ 是完整 GNSS+ 保護(hù)套件的一個(gè)組件，其他組件包括 AIM+ 抗干擾反欺騙技術(shù)、針對電離層活動的 IONO+ 保護(hù)以及 APME+ 多路徑緩解。
RAIM 與 RAIM+
真實(shí)定位不確定性報(bào)告背后的基本機(jī)制是 RAIM（接收機(jī)自主完整性監(jiān)控），它確?；诮y(tǒng)計(jì)分析和排除任何異常衛(wèi)星或信號的真實(shí)定位計(jì)算。Septentrio 接收器專為高完整性而設(shè)計(jì)，并通過 RAIM+ 將 RAIM 提升到新的水平，以高度的置信度保證定位的真實(shí)性。在 Septentrio 接收器中， RAIM+ 實(shí)際上是稱為 GNSS+ 的綜合接收器保護(hù)套件的一個(gè)組件，包括各個(gè)級別的定位保護(hù)，包括 AIM+ 抗干擾和反欺騙、 IONO+ 對電離層閃爍的恢復(fù)能力以及 APME+ 多路徑緩解。
Septentrio RAIM+ 統(tǒng)計(jì)模型已根據(jù) 20 年來收集的超過 50 TB 的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行了微調(diào)。它消除了可能因多徑反射、太陽電離層活動、干擾和欺騙而產(chǎn)生錯(cuò)誤的衛(wèi)星和信號，同時(shí)與上述 GNSS+ 組件一起工作。由于這種多組件保護(hù)架構(gòu)，它實(shí)現(xiàn)了非常高水平的定位精度和可靠性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn) RAIM。RAIM+ 統(tǒng)計(jì)模型具有自適應(yīng)性、高度詳細(xì)且完整，利用了所有可用的 GNSS 星座和信號。Septentrio 的GNSS/INS 接收器系列中甚至還提供完整的 RAIM+ 功能。用戶控制的參數(shù)使其能夠根據(jù)特定要求進(jìn)行調(diào)整。
下圖顯示了在對 Septentrio GNSS 接收器進(jìn)行干擾和欺騙攻擊期間 RAIM+ 的運(yùn)行情況。雖然 AIM+ 可以消除 GNSS 干擾的影響，但 AIM+ 和 RAIM+ 可以共同阻止欺騙攻擊。中間圖表中顯示的距離誤差較大的衛(wèi)星會被 RAIM+ 刪除，因?yàn)樗鼈儾环项A(yù)期的衛(wèi)星距離。
圖 5：在這種情況下，jJamming 會產(chǎn)生衛(wèi)星距離誤差，但可以通過 AIM+ 技術(shù)來抵消。在欺騙過程中，AIM+ 會消除一些被欺騙的衛(wèi)星，而其他距離錯(cuò)誤的衛(wèi)星則被 RAIM+ 算法排除。
這個(gè)例子表明，即使在干擾和欺騙的情況下，Septentrio 的高完整性接收器技術(shù)也能提供任何自主系統(tǒng)都可以信賴的真實(shí)可靠的定位。
圍繞可靠性進(jìn)行 GNSS 設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)可靠的 GNSS 接收器在定位不確定性報(bào)告以及 RAIM+ 高級統(tǒng)計(jì)建模中力求實(shí)現(xiàn)高度完整性。這確保了這些接收器提供真實(shí)、及時(shí)的警告消息，并在各種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中具有彈性。INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）等其他技術(shù)也可以與 GNSS 接收器耦合，以擴(kuò)展定位可用性，即使在 GNSS 短暫中斷期間也是如此。衛(wèi)星信號、CPU 狀態(tài)、基站質(zhì)量和整體質(zhì)量的質(zhì)量指標(biāo)可以在任何給定時(shí)間監(jiān)控定位可靠性。高完整性 GNSS 接收器可為 Sitia 除草拖拉機(jī)等自主機(jī)器提供真實(shí)定位。它們也是安全關(guān)鍵應(yīng)用中的關(guān)鍵組件，
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