GNSS 修正揭秘

各種GNSS校正機(jī)制的簡單比較
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買一個(gè)多頻 GPS/GNSS [1] 接收器。您訂購了評(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摹Ａ硪环矫?，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)誤只能通過強(qiáng)大的接收器技術(shù)和謹(jǐn)慎的操作來部分處理。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，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)也被用作流行語來指代傳統(tǒng)的 PPP 服務(wù)。

PPP——全球可訪問且準(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，可達(dá)20-30分鐘，這對(duì)于某些應(yīng)用來說可能不切實(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)的定位算法來補(bǔ)償接收器端問題，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)接收器通常通過訂閱服務(wù)獲得 GNSS 校正，該服務(wù)通過互聯(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 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)包括美國的GPS、歐洲的伽利略、俄羅斯的格洛納斯、中國的北斗、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計(jì)算其位置。
參考：
PPP-RTK技術(shù)報(bào)告
未來自動(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
點(diǎn)播網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)：  GNSS 校正揭秘- 從 Fugro-Marinestar、Sapcorda、Lear Corporation 和 Point One Nav 工作的特邀演講者那里獲取行業(yè)見解。

https://www.septentrio.com/en/learn-more/insights/gnss-corrections-demystified