GNSS 修正揭秘

各種GNSS校正機(jī)制的簡(jiǎn)單比較
假設(shè)您的技術(shù)需要可靠、準(zhǔn)確的全球定位。您做了一些研究并決定為自己購(gòu)買一個(gè)多頻 GPS/GNSS [1] 接收器。您訂購(gòu)了評(píng)估套件，但如何讓您的接收器提供其承諾的高精度？GNSS 接收器依靠外部校正來(lái)補(bǔ)償稱為GNSS 誤差的各種缺陷，以盡快實(shí)現(xiàn)分米甚至厘米級(jí)的精度。

糾正 GNSS 錯(cuò)誤
基于 GNSS 的定位是使用一種方法計(jì)算的，由于 GNSS 衛(wèi)星以及地球大氣層引起的一些誤差，該方法本身的精度有限。

GNSS 衛(wèi)星本質(zhì)上是繞地球運(yùn)行的高精度同步時(shí)鐘，不斷廣播其定位和授時(shí)信息。GNSS 用戶接收器從多個(gè)“飛行時(shí)鐘”獲取信號(hào)，并計(jì)算其與每顆衛(wèi)星的距離。當(dāng)接收器知道到至少四顆衛(wèi)星的距離時(shí)，它可以推斷出自己的位置。然而，該位置的準(zhǔn)確性會(huì)受到某些誤差的影響。

GNSS 衛(wèi)星時(shí)鐘和軌道誤差需要進(jìn)行校正，以實(shí)現(xiàn)高水平的定位精度。
 
即使 GNSS 衛(wèi)星上的先進(jìn)時(shí)鐘也會(huì)經(jīng)歷微小的漂移，從而導(dǎo)致時(shí)鐘誤差。GNSS 衛(wèi)星繞地球運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)是可以預(yù)測(cè)的。這些預(yù)測(cè)并不理想，這會(huì)導(dǎo)致所謂的軌道誤差。此外，衛(wèi)星設(shè)備會(huì)引入小的信號(hào)誤差，這些誤差被建模為衛(wèi)星偏差。除了衛(wèi)星誤差外，還有大氣誤差，這是由信號(hào)穿過(guò)地球電離層（外層）和對(duì)流層（靠近地球表面的層）時(shí)經(jīng)歷的失真和延遲引起的。最后，接收器周圍的本地環(huán)境以及接收器本身可能會(huì)引入錯(cuò)誤。例如，衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)被建筑物和高層建筑反射，這種現(xiàn)象稱為多徑。

GNSS 接收器無(wú)法自行糾正衛(wèi)星和大氣誤差，而是依賴于外部源提供的數(shù)據(jù)。時(shí)鐘和軌道誤差取決于衛(wèi)星，這意味著它們?cè)谑澜绺鞯囟际窍嗤?。另一方面，大氣誤差取決于信號(hào)從衛(wèi)星傳播到用戶時(shí)所采取的路徑，因此根據(jù)接收器的位置而有所不同。  

為了克服衛(wèi)星和大氣誤差，可以使用參考站（也稱為基站） 。參考站是安裝在固定且精確已知位置的 GNSS 接收器，用于估計(jì) GNSS 誤差并將其以GNSS 校正的形式發(fā)送給用戶接收器（見下圖）。參考網(wǎng)絡(luò)由分布在某個(gè)區(qū)域的互連參考接收器組成。

用戶接收器獲取數(shù)據(jù)，用于糾正衛(wèi)星和大氣誤差。
 

接收端錯(cuò)誤只能通過(guò)強(qiáng)大的接收器技術(shù)和謹(jǐn)慎的操作來(lái)部分處理。根據(jù)應(yīng)用的校正類型，可能需要幾秒鐘到幾分鐘的初始化時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)高精度。  

高精度定位的修正類型
直到最近幾年，RTK 和 PPP 已成為向用戶接收器提供 GNSS 校正的既定方法。如今，對(duì)高精度定位的需求不斷增長(zhǎng)，這為混合PPP-RTK等新定位技術(shù)鋪平了道路。

RTK – 最高級(jí)別的精度
在RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）方法中，用戶接收器從單個(gè)基站或本地參考網(wǎng)絡(luò)獲取校正數(shù)據(jù)。然后，它使用這些數(shù)據(jù)來(lái)消除大部分 GNSS 錯(cuò)誤。RTK 的原理是基站和用戶接收器距離很近（最大相距 40 公里或 25 英里），因此“看到”相同的誤差。例如，由于用戶和參考站的電離層延遲相似，因此可以從解中消除它們，從而實(shí)現(xiàn)更高的精度。

RTK 方法針對(duì)特定位置提供改正，而 PPP 和 PPP-RTK 方法將改正模型 廣播到更大的區(qū)域，但精度稍低。為了傳輸該校正模型，可以使用稱為 SSR（空間狀態(tài)表示）的消息格式。業(yè)界對(duì)“SSR”一詞存在一些混淆，因?yàn)樗ǔＥc較新的 PPP-RTK 方法相關(guān)。但要小心，因?yàn)椤癝SR”有時(shí)也被用作流行語(yǔ)來(lái)指代傳統(tǒng)的 PPP 服務(wù)。

PPP——全球可訪問(wèn)且準(zhǔn)確，但有一定成本
PPP（精確單點(diǎn)定位）修正僅包含衛(wèi)星時(shí)鐘和軌道誤差。由于這些誤差是衛(wèi)星特定的，因此與用戶的位置無(wú)關(guān)，因此世界各地只需要有限數(shù)量的參考站。由于PPP改正中不包含大氣誤差，因此該方法只能達(dá)到較低的精度水平，并且預(yù)計(jì)初始化時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)20-30分鐘，這對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能不切實(shí)際。PPP 傳統(tǒng)上用于海運(yùn)業(yè)，如今已擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)等各種陸地應(yīng)用，作為獲取全球 GNSS 校正的便捷方式。

PPP-RTK，兩全其美？
PPP-RTK（又名 SSR）是最新一代的 GNSS 校正服務(wù)，將接近 RTK 的精度和快速的初始化時(shí)間與 PPP 的廣播特性相結(jié)合。參考網(wǎng)絡(luò)大約每 150 公里（100 英里）就有一個(gè)站點(diǎn)，用于收集 GNSS 數(shù)據(jù)并計(jì)算衛(wèi)星和大氣校正模型。如上所述，大氣校正是區(qū)域性的，因此需要比 PPP 更密集的參考網(wǎng)絡(luò)。然后，這些修正將通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星或電信服務(wù)廣播給該地區(qū)的用戶。訂閱的接收器使用廣播的校正模型來(lái)推斷其特定位置的校正，從而實(shí)現(xiàn)亞分米精度。懲戒不可知論合作伙伴計(jì)劃Septentrio 提供的服務(wù)允許用戶通過(guò)可靠的 GNSS 接收器輕松連接到所選服務(wù)。了解如何充分利用最新的校正服務(wù)以及如何將它們集成到您的系統(tǒng)中。 

三種 GNSS 校正方法的比較
下表比較了三種校正方法，突出了它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

所有三種方法的基礎(chǔ)設(shè)施密度和初始化時(shí)間隨著糾正的錯(cuò)誤類型的不同而變化，請(qǐng)參見下圖。PPP-RTK 和 PPP 的廣播性質(zhì)，以及它們所需的較輕的基礎(chǔ)設(shè)施，使得這些方法可以針對(duì)大眾市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展。  

三種方法中每種方法糾正的錯(cuò)誤類型。
 

一些 GNSS 接收器還采用先進(jìn)的定位算法來(lái)補(bǔ)償接收器端問(wèn)題，例如多路徑（請(qǐng)參閱 Septentrio APME+）、干擾和欺騙。這增加了高精度定位的可靠性和穩(wěn)健性。有關(guān)欺騙的更多信息，請(qǐng)參閱什么是欺騙和如何確保 GPS 安全。

獲取 GNSS 修正
現(xiàn)代工業(yè)接收器通常通過(guò)訂閱服務(wù)獲得 GNSS 校正，該服務(wù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)（使用 NTRIP 協(xié)議）、衛(wèi)星或 4G/5G 提供。如今，在汽車工業(yè)、自動(dòng)化和智能消費(fèi)設(shè)備的高精度需求的推動(dòng)下，校正服務(wù)市場(chǎng)蓬勃發(fā)展。汽車供應(yīng)商和許多其他新參與者正在部署基礎(chǔ)設(shè)施，以在全球范圍內(nèi)建立厘米級(jí)定位服務(wù)。

用戶接收器通常通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星或 4G/5G 提供的訂閱服務(wù)獲得 GNSS 校正。
 

PPP 和 PPP-RTK 校正甚至可以直接通過(guò) GNSS 衛(wèi)星傳輸，如 QZSS 星座的日本 CLAS 服務(wù)，或伽利略計(jì)劃的高精度服務(wù) (HAS)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)密度和誤差建模的質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)不同的初始化時(shí)間和精度。這意味著不同服務(wù)提供商的定位質(zhì)量可能有所不同。

德國(guó)電信、日本軟銀和 NTT 等主要電信公司正在為其基礎(chǔ)設(shè)施配備 GNSS 接收器，以實(shí)現(xiàn)新的校正服務(wù)。3GPP 提供了包括 LTE、4G 和 5G 在內(nèi)的移動(dòng)電話規(guī)范，現(xiàn)在在其移動(dòng)協(xié)議中涵蓋了 GNSS 衛(wèi)星校正的廣播。由于參考接收器正在成為電信塔等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，因此它們必須具有高水平的安全性，以保護(hù)它們免受潛在的干擾或欺騙攻擊（請(qǐng)參閱Septentrio AIM+技術(shù)）。

哪些更正適合我？
適合您的技術(shù)的校正服務(wù)取決于您的位置和服務(wù)區(qū)域、您的準(zhǔn)確性和可靠性需求以及預(yù)算。由于校正市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，集成商或 GNSS 制造商幫助您選擇適合您的工業(yè)應(yīng)用的最佳校正方法現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更加重要。如果您選擇的 GNSS 接收器不會(huì)將您“鎖定”到特定的校正服務(wù)，您將可以自由選擇最適合您的應(yīng)用及其位置的校正方法。隨著校正方法的不斷發(fā)展，這種“非鎖定”開放接口接收器還為客戶提供了未來(lái)靈活切換到另一種更有益的服務(wù)的機(jī)會(huì)。

腳注： 

[1] 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)包括美國(guó)的GPS、歐洲的伽利略、俄羅斯的格洛納斯、中國(guó)的北斗、日本的QZSS和印度的NavIC。這些衛(wèi)星星座向接收器廣播定位信息，接收器使用該信息來(lái)計(jì)算其位置。
參考：
PPP-RTK技術(shù)報(bào)告
未來(lái)自動(dòng)駕駛合作
LTE 定位和 RTK：精確到厘米
 
有關(guān)的：
CLAS - 日本的 GNSS 校正 - 了解有關(guān)日本厘米級(jí)校正服務(wù)的所有信息
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https://www.septentrio.com/en/learn-more/insights/gnss-corrections-demystified