自动驾驶传感器:带你搞懂卫星导航GPS-RTK原理

自动驾驶传感器:带你搞懂卫星导航GPS-RTK原理

附赠自动驾驶学习资料和量产经验:链接

0. 前言

自动驾驶的感知层里面,前面Lidar,Radar,Camera的介绍之前已写完。还差GNSS-RTK和IMU模块就补齐了主要的自动驾驶感知层的硬件,而通常这俩模块会被集成到一起形成所谓**“组合导航”。**

对于自动驾驶定位而言,Lidar,camera等传感器输出的数据都需要用户使用SLAM算法进行复杂的处理计算,而GNSS,IMU则都可以输出简单、直观的位置数据(当然也可以根据星历自己算,自己融合IMU和GNSS)。因而,它们也是自动驾驶系统中 **“定位模块 Localization”**的重要组成部分。开始吧~

1. GNSS定位系统概述

1.1 GNSS——Global Navigation Satellite System

GNSS是利用卫星来精确测定地球上任一点时间位置的系统。其提供的服务有:

  • 精确位置(经度、纬度和高度坐标),精度范围在20m到约1mm之间。

  • 精确时间(协调世界时,即UTC),精度范围在60ns到约5ns之间。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

GPS的基本功能:定时,定位

对于定位功能,GNSS利用4个以上卫星的伪距星历、卫星时钟数据等数据,即可推算出用户当前的位置。目前全球一共有四种GNSS系统。

1.2 四种GNSS系统(无聊,可以不看)

**美国:**GPS(Global Positioning System)

GPS是卫星导航的首创者,1970s,美国国防部为了给军队提供实时、全天候的全球导航服务,并进行情报收集、应急通讯等一些军事目的,开始研制**“导航卫星定时和测距全球定位系统”。**后续扩展到了民用领域。GPS由美国空军第50航空联队负责运营,世界范围内的GPS设备在生产阶段,都需要给美国国防部缴纳授权费用。

起初GPS针对军用与民用提供了不同的测量精度,军用为3米,而民用信号增加干扰机制。后来在2000年,GPS取消了民用信号的干扰,推动了民用领域的普及。

**中国:**北斗导航系统

2020年7月,我国的北斗三号系统正式启用,北斗采用三频信号向用户广播导航数据。三种频率信号可以更好地消除高阶电离层延迟影响,提高定位可靠性和抗干扰能力。

北斗还可以提供短报文通信服务,是一项实用性很强的功能,可作军事上紧急通信、求救信号的手段。

**俄罗斯:**格洛纳斯(GLONASS)

俄罗斯的格洛纳斯卫星采用频分多址技术(FDMA)。格洛纳斯卫星都发射同样的伪随机码,但采用不同的频率发射。具有抗干扰能力和抗互相关的特性。但频分多址技术造成用户接收机体积庞大造价昂贵,基本无法应用于民用市场。

格洛纳斯所用的坐标系1990 年苏联所制定的 PZ-90 参考坐标系,其时间系统与莫斯科标准时间 UTC+3关联,其与GPS时间有数十纳秒的差异。由于地缘政治关系,俄罗斯无法在其他国家部署较多地面站点,因此其定位精度在俄罗斯以外的国家也比较差。

**欧盟:**伽利略(Galileo)

伽利略系统采用与 GPS 类似的码分多址技术,以区别不同的卫星。伽利略信号结构比GPS民用码信号复杂,其信号传输速率从50bit每秒到1000bit每秒不等。伽利略系统提供含有测距码数据信息的导航信号,测距码由每颗卫星上的高稳定度星钟产生,数据信息则由地面上行注入站向卫星发送。导航电文的内容包括星钟、星历、识别码和状态标识等,以及能使用户预测星钟和星历精度的“空间精度信息”。

1.3 GNSS组成

GNSS系统由三部分组成:空基卫星地面监控站以及用户接收设备。

1.3.1 地面监控站

以GPS为例,其地面监控部分主要由分布在全球的主控站注入站监测站组成。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

GPS 地面监控部分的分布

  • 主控站

GPS的主控站位于科罗拉多州的**Falcon空军基地。**负责协调控制地面监控部分的工作,通过接收、处理所有监测站传来的数据:

  • 计算卫星星历、时钟修正、状态数据、信号电离层延迟修正等;

  • 编算导航电文并传送到注入站;

  • 诊断卫星状态,调度卫星。

  • 给定全球定位系统时间基准。调整卫星运动状态,启动备用卫星。

  • 地面监测站

监测站是在主控站控制下的一个数据自动采集中心,其主要装置包括GPS双频接收机、高精度原子钟、计算机、环境数据传感器等。

监测站的主要任务是通过接收机对GPS卫星进行连续观测和数据采集,收集积分多普勒观测值、卫星时钟、工作状态数据等数据。同时通过环境传感器采集有关当地的气象数据,传送给主控站。

  • 地面注入站

注入站是向卫星注入导航电文和控制指令地面无线电发射站。注入站接收来自主控站的导航电文和卫星控制指令,经射频链路发送给各导航卫星。注入站的主要设备是一套直径3.6m的发射天线和一台C波段发射机(40-8.0GHz频段)。

导航电文通常包括预报的卫星轨道参数(即卫星星历表)卫星时钟偏差参数以及轨道和钟差的改正参数等。卫星控制指令通常包括有效载荷控制指令和卫星平台控制指令。

地面监控部分部分的数据流动为:卫星运行 -> 监测站观测 -> 主控站计算 -> 注入站注入 -> 卫星得知星历 -> 广播给地面接收机;

1.3.2 空基卫星

GPS的空基卫星一共有24颗,其中3颗是备用卫星,部署在6个轨道平面,平均高度约为 202002km,运行周期为 11h58min。北斗、伽利略、格洛纳斯卫星数量基本大同小异,都是30颗左右。最重要的原则就是:保证在地球各处能同时观测到高度角为15°以上的至少 4 颗卫星。

GNSS卫星会装有定向太阳能帆板,以保证卫星正常工作用电。卫星上安装的多波束定向天线,其发射波束能覆盖约半个地球。每一个卫星上都配备了高精度的铯原子钟,提供高精度的时间。除此之外,卫星还有与地面的通信系统,姿态控制系统以及轨道控制系统等。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

卫星星座轨道

1.3.3 用户接收器

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

REF:

  1. 北斗卫星导航系统_百度百科 (baidu.com)

  2. Global Positioning System - Wikipedia

  3. C波段_百度百科 (baidu.com)

  4. 频分多址_百度百科 (baidu.com)

2. 时间、空间坐标系

上一章结尾我们提到了卫星、接收者的坐标信息以及时间信息。**“定位”“定时”**需要基于统一的坐标系与统一的表示方法,那么,GNSS系统是基于哪种统一的时间和空间坐标系的呢?

2.1 位置坐标系

对于位置的表达,我们自然而然地想到的是:经度、维度和海拔。这是基于“地球近似一个椭球体”的事实下,最为方便的表达。而事实上,用“海拔”来表述高度并不准确,因为世界各地的海平面高度会由于各种因素而不一样,所以更加准确的表达应该是“高程”
顺着这个想法,我们以地球质心为原点,赤道平面为XOY面,地理北极作为Z轴,X轴指向本初子午线与地球赤道交点,即可建立一个笛卡尔坐标系。该以地心为原点的坐标系固定在地球上,随着地球的自转一起运动。我们将这种坐标系称为**“地心地固坐标系” ECEF**(earth centered earth fixed coordinate system)。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

地心地固坐标系,From wikipedia

相对应的,还有用于天体测量,地面上的点坐标值受到地球自转影响的天球坐标系,GPS卫星的位置就是采用的天球坐标系。而在地固坐标系中,以地球质心作为原点的叫“地心地固坐标系”,以参考椭球的几何中心为原点的叫“参心坐标系”,这里我们不做详细展开。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

坐标系分类

2.2 大地测量:地心地固坐标系

我们已知ECEF的定义,那么ECEF中各要素的又是如何确定的?首先需要明确的是,地球的质心、地理北极、赤道这些地理要素都不是一成不变的。比如,地球质心可能会随着地质运动而发生偏移。

2.2.1 ECEF的要素定义

  • 地球质心:

地球质心应当如何确定 or 测量呢?其可以根据斯托克斯定理和韦宁-迈内兹公式对全球范围内的引力进行积分,得出地心坐标;或利用卫星观测确定。
当前主流方法是,综合利用全球地面大地测量资料和人造卫星观测资料,组成新型弧度测量方程,推求局部坐标系对地心坐标系的转换参数。根据转换参数就可把局部坐标系换算为地心坐标系。

  • 地理北极的测量:

理论上,通过测量北极附近的恒星位置轨迹,其构成的圆心位置即为北极点。

  • 经度表示:

0° 纬线是赤道,纬度是指某点与地球球心的连线和地球赤道面所成的线面角。其中,赤道(equator)指地球表面的点随地球自转产生的轨迹中周长最长的圆周线。

  • 纬度表示:

0° 经线是本初子午线。由于地球是个扁椭球体,经度没有自然起点,所以人为规定经过伦敦格林尼治天文台旧址的子午线作为起点。东经 180° 即西经 180°,约等同于国际换日线,恰好国际换日线在白令海峡附近,没有横穿人类居住密度较大的大陆,对人生活的影响较小。

  • 高程表示

我们已知,地球并非完美的球体,而是一个表面凹凸不平的近似椭球体。而且,由于地球引力和板块的原因,各处的水平面与地心的距离并不一致。因此需要找到一种比**“海拔”更合理的高度表示方法。
通用的方式是:找到一个“与地球几何最吻合的椭球体”——基准椭球体作为高程的参照
。该椭球体的要求是:**

  1. 中心与地球质心重合;

  2. 短轴与地球自转轴一致;

  3. 表面与大地水准面之间的高度差的平方和最小。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

基准椭球体Ellipsoid - 海平面 Geoid - 高程

如上图所示,“高程h” 的定义即是距离基准椭球体的高度。

2.2.2 ECEF的坐标转换

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

Ref:

  1. 地心坐标_百度百科 (baidu.com)

  2. 本初子午线_百度百科 (baidu.com)

  3. Astronomical coordinate systems - Wikipedia

  4. Geodetic datum - Wikipedia

  5. Earth-centered, Earth-fixed coordinate system - Wikipedia

2.3 GWS84坐标系与CGCS2000坐标系

2.3.1 谁来测量?

前面提到了地心、北极、基准椭球体等概念的定义与测量方法。**那么问题又来了:谁来测量这些数据?**地球上有没有公认的标准的数据呢?还是每个国家有自己独立的标准?

答案是:国际地球自转服务(International Earth Rotation Service,简写IERS)下的国际地球参考框架(International Terrestrial Reference Frame,简写ITRF),这是一家位于巴黎的专门从事地球自转参数服务和参考系建立的国际组织。 该组织会不定期(有时隔一年,有时隔几年)发布新的历元,GNSS系统基本会采用该组织发布的“历元”基准。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

International Earth Rotation Service

当前,GPS系统采用的地球坐标系系统为WGS84(World Geodetic System 1984),而中国主推的则是CGCS2000(China Geodetic Coordinate System 2000)国家大地坐标系。其区别就是采用了不同的ITRF历元,然后生成了对“**基准椭球体”**不同的拟合结果。

2.3.2 WGS84和CGCS2000的区别

WGS84一开始采用的自然是1984年的历元,而当前已经采用较新的ITRF2008,CGCS2000则采用的是ITFR97(其自转轴、赤道面会存在微小差异)。并且,两个坐标系的短半轴b的长度不同。

这种拟合的差异会造成两种坐标系下对同一点测量之差达到分米级。这一差异主要由历元差异造成,短半轴的差异造成的测量差值并不大,当然两个坐标系间的换算也并不算复杂

也有的地图标准会采用EGM96(the Earth Gravitational Model from 1996),1985国家高程来表示高程,其采用了近似海拔高度,不再展开。

坐标系 基准长半轴a 基准短半轴b 极扁率f 历元
WGS84 6378137.0m 6356752.3142m 1/298.257223563 ITRF2008
CGCS2000 6378137.0m 6356752.31414m 1/298.257222101 ITRF97

在中国国内,CGCS2000坐标系由国家测绘局主推,国内的大地测绘很多采用这套空间坐标系统。

2.4 天体测量:天球坐标系

对于天体、卫星的位置,由于地球自转的影响,采用ECEF地心地固坐标系表达十分不便。因此天体的坐标一般采用天球坐标系,也就是说GPS卫星的位置采用天球坐标系表达。根据研究对象的不同,有:

  1. 地平坐标系;

  2. **赤道坐标系:**以地球为中心,常用于卫星轨迹计算;

  3. **黄道坐标系:**研究太阳系内各种天体的运动情况;

  4. **银道坐标系:**以太阳为中心,研究恒星动力学和星系结构相关工作时使用;

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

以地球为中心的天球坐标系,来自wikipedia

下面来介绍用于卫星轨迹表达的赤道坐标系

  • 基础定义:
  1. 首先,想象宇宙是一个包围地球的球壳,称其为天球;

  2. 以地球的自转轴作为天轴,向上向下延申与天球交点分别是北天极南天极

  3. 通过地心并且与天轴垂直的面,其实也就是赤道面,其与天球的交线称为天球赤道;

  4. 地球绕太阳公转的黄道面与天球的相交线称为**天球黄道,**黄赤交角也是23°26’;

  5. 黄道与赤道相交的两个点分别是春分点秋分点(太阳此时直射赤道)

  • 坐标系定义:

1. 那么,以地球质心为原点、X轴指向春分点、Z轴指向北天极、Y轴垂直于XOZ平面的右手坐标系就是赤道坐标系。

2. 在直角坐标系基础上,建立球坐标系:一个空间点的位置为(�,�,�),�是该点到质心的距离,称为向径, �是相对X轴的顺时针夹角,称为赤经;�同理,称为赤纬。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

赤道坐标系,来自北京天文馆

2.5 时间坐标系:

一般GNSS都采用协调世界时(UTC,Universal Time Coordinated)。
**什么是协调世界时?先思考一个问题:**时间的定义是什么?一秒、一个小时所代表的时间长度如何定义?

  • 世界时

最为古老、朴素的时间框架就是**以地球自转为基础:**地球自转一周为一天,在此基础上,拆分出24h,60min,60s,该时间体系叫做 “世界时”。

  • 原子秒

而地球自转的时间却不是恒定的,实际上,几十亿年一来,地球的自转速度一直在变慢。那岂不是“秒”的定义越来越长?后来,人们定义了**原子时:**秒长定义为铯 -133 原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间 。

而由于原子时与地球自转无关,因此需要闰秒来靠近世界时。

  • 协调世界时UTC

UTC是以原子时秒长为基础,在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。中国大陆采用ISO 8601-1988的《数据元和交换格式信息交换日期和时间表示法》(GB/T 7408-1994)称之为国际协调时间。

  • GPS时

**GNSS系统的时间坐标一般基于UTC。**比如用于GPS的时间系统。GPS时与协调世界时的差别在于,所有累计的秒数(2008年相差14s)以及低于1μs的误差。GPS时与协调世界时之差以及该差值的当前特性通过导航电文(子帧4,第18页)发送。我们认为GPS的时间是同步于UTC的。

  • 接收机时间,GPS接收机的内部时间。

该时间通常由内部的石英晶体振荡器确定,其有别于GPS时和协调世界时。该差值在GPS接收机开始工作时未知,但经过数次测量后可以降低。

参考阅读:

  1. World Geodetic System - Wikipedia

  2. Earth-centered, Earth-fixed coordinate system - Wikipedia

  3. Geodetic datum - Wikipedia

  4. BeiDou - Wikipedia

  5. 2000国家大地坐标系_百度百科 (baidu.com)

  6. 协调世界时_百度百科 (baidu.com)

  7. 闰秒_百度百科 (baidu.com)

  8. 走进自动驾驶传感器(三)——卫星导航系统 - 知乎 (zhihu.com)(推荐)

  9. CGCS2000、WGS84以及ITRF框架坐标差异和转换方法 - 知乎 (zhihu.com) (推荐)

  10. 国际地球自转服务_百度百科 (baidu.com)

  11. 国际地球参考框架_百度百科 (baidu.com)

  12. 天球坐标系_百度百科 (baidu.com)

  13. 既然地球是一个不规则的椭球体,那么天空上的卫星是如何定位的呢?误差怎么解决?经纬度的误差怎么计算? - 知乎 (zhihu.com)

  14. 赤道坐标系统 - 维基百科,自由的百科全书 (wikipedia.org)

3. GNSS工作原理:以GPS为例

下面的章节为了能够理解更顺畅,可能会有点啰嗦

3.1 引子:坐标计算的基本原理

3.1.1 有缺陷的三边测量

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

GNSS的定位的基础想法

然而,三边测量有着重大的缺陷:

3.1.2 时钟的不同步

首先,这种方法需要一个十分重要的假设:**卫星和接收器的时钟完全同步。**而在现实中,一开始接收器的时钟是没法和卫星时钟完全对齐的。试想一下,如果接收机的时钟比卫星慢0.01秒,如果信号飞了0.08秒,接收机这里直接就算成了0.09秒——这0.01秒就多飞了3千公里,甚至于就算是而1us造成位置计算误差就可达300m。

当然实际上卫星和接收器的时钟差距一般是很小的,因为比如手机这类接收器联网后,也能从互联网获得一个RTC(real time clock),和卫星时钟不会有太大偏差。但如果不能联网那两者可能时钟差距就比较大。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

实际计算过程中,求解析解较为困难,一般会采用G-N,L-M那一套非线性优化方法进行迭代计算。计算过程可以参考下面的文章:

GPS定位笔记1(三边测量及多边测量,DOP) - 知乎 (zhihu.com)

image

4星定位,解决卫星和接收器时间不同步

当然,现实情况要比上面还要复杂,要弄明白GNSS卫星的原理,有几个关键问题需要回答:

  1. 卫星是一直在飞的,接收机如何得知卫星在某一时刻的三维坐标位置?

  2. 卫星播报的数据格式是什么样的?比如“卫星发射信号时间 ��**”是如何体现在卫星播报数据格式中的?**

  3. 然后,如何确定卫星到接收器之间的伪距PSD?

  4. 影响GPS定位精度的误差因素有哪些?

3.1 星历

下面来解决第一个问题:接收机如何确定卫星在某一时刻的三维坐标位置?

直观的想法是:卫星将带有时间戳的天球坐标 (�,�,�,�) 连续不断地播报就可以了。但事实并非如此,卫星是依靠播报星历——可以理解为卫星当前运行的轨道参数,来实现对某一时刻位置的测量的,如此一来接收机就可以还原出当前卫星的时间-位置函数关系。GPS卫星的星历有两种,一种是预报星历(广播星历),另一种为后处理星历(精密星历)。

3.1.2 卫星轨道的构建与预报星历

image

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

卫星轨道-开普勒第一定律

image

image

卫星轨道与天球坐标系,来自知乎答主,北大地理博士“扔翔”(好狂野的名字)

如此,我们就有了6个参数,来描述卫星、卫星轨道、以及天球坐标系的联系(6个参数的组合并不唯一,领会要义即可)。然而,卫星的运行还受到其他天体摄动力的影响,因此需要对其进行建模并修正。反映在9个轨道改正项参数上,加上参考时刻最终完整的星历一共有16个参数,描述 or 定义了卫星在当前一段时间内的运行轨道:

image

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

GPS 卫星轨道参数示意图

当然,这16个参数是由地面站依据对卫星的观测结果推算出来,注入到卫星,再由卫星向用户播报。然后,接收器就可以根据这16个参数,计算出卫星在某一时刻的天球坐标系位置。至于具体的计算过程,可参考下文:

杨熙:GPS定位笔记4 (轨道理论和星历和历书)53 赞同 · 8 评论文章外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

卫星运行的轨道当然不是一成不变的,其本身也处在动态的变化中。也因此,GPS卫星的星历参数每过一个小时就会变动一次,以达到对轨道较为精确的描述。

3.1.2 后处理星历:

通过前面描述,我们能够想到,**预报星历属于对卫星当前一段时间内运动轨迹的拟合,**显然它并非卫星最为真实准确的运行轨迹。

而为了满足大地测量学和地球动力学对高精密度定位的要求,需要精确地刻画某时刻的卫星轨道参数,这即为后处理星历。后处理星历是一些国家的有关部门根据各自建立的GNSS卫星跟踪站所获得的 GPS 卫星精密观测资料,采用确定预报星历相似的方法,计算出“以前的”任意观测时刻的卫星星历。它是一种根据观测资料,事后计算的时间和星历对应的精密轨道信息库。

当然,这个和基于GNSS的定位没多大关系,因为精确星历是非实时的。

ref:

  1. 开普勒第一定律_百度百科 (baidu.com)

  2. 关于开普勒三大定律的理解和证明 - 知乎 (zhihu.com)

3.2 导航电文

下面解决本章开头提出的第二个问题:卫星播报的数据格式是什么样的?

GPS播报的信号实际上包含了三个部分:数据码测距码载波信号。先来讲数据码,数据码包含了多种与导航有关的信息:

  1. 卫星时和同步信号;

  2. 精确轨道数据(星历);

  3. 用于确定精确卫星时的时间修正信息;

  4. 所有卫星的近似轨道数据(年历);

  5. 用于计算信号发送时间的校正信号;

  6. 电离层数据;

  7. 卫星的工作状态(健康状况)信息。

这些信息为GPS导航定位提供数据基础,故又称为导航电文导航电文是二进制编码文件,按规定格式组成数据帧,按帧向外播放,每帧电文含有1500bit,播送速度是每秒50bit,因此一帧导航电文的播放时间是30秒。每帧电文有5个子帧,每个子帧含有10个字,每个字为30bit。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

导航电文的结构

对于单帧导航电文:

**1. 第1子帧:**有该卫星的时间值,包括用于修正信号传输延迟和星载时钟时间的参数,以及卫星健康状况信息和卫星位置精度的估算值。

2. 第2、3子帧:包含了卫星的星历数据。前三帧数据每小时更新一次。

3. 第4、5子帧:中存放所有空中GPS卫星的历书,信息量比较庞大,完整的信息需要25页,也就是说需要12.5min才能发送完成全部的导航电文。它的内容仅在地面注入站注入新的导航数据后才更新,现也有技术根据设备接入互联网网络获取附近基站拿到过的所有卫星历书

**4. 遥测字 TeLemetry Word:**每个单帧的首字是遥测字(TLM),其包含捕获信息的前导,遥测电文(地面监控系统注入数据的状态信息、诊断信息和其他),指示用户是否选用该卫星。

**5. 转换字 How-hand Over Word:**提供用于捕获 P 码的 Z 计数(从每周六-周日子夜零时起算的时间计数),可以实时了解观测瞬时在 P 码周期中所处的准确位置,预先确定码的移动量,使本机产生的伪随机码的码元与即将到来的卫星信号P码码元相匹配。

3.3 卫星信号

那么数据码是如何被卫星发送出来的?这里会提到测距码载波信号

image

GPS 卫星信号示意图

GPS卫星上的原子钟的共振频率会分别产生以下工作所需的时间脉冲信号:

  1. 50Hz的数据脉冲(对应前面的50Bit/s的导航电文);

  2. C/A码,P码(频率1.023MHz的伪随机PRN码),该码采用异或操作调制数据并2MHz带宽发送数据;

  3. L1,L2两种载波频率;

GPS卫星信号采用了组合码调制技术,即将编码脉冲(即导航电文或者基带信号)先调制到伪随机码,即经过伪随机码扩频成为组合码,再对 L 波段(1-2GHz的电磁波)进行调制,然后由 GPS 卫星天线发射出去。卫星使用两个载波频率发射,是为了对大气层效应产生的附加延时进行双频矫正(后面会说到原因)

image

GPS 发射信号构成原理图

3.4 伪距计算方式

最后分析本章开头的第三个问题:**如何获得接收器到卫星之间的伪距PSD?**而伪距的测量有四种方法:

测码伪距观测量(常用) 测量 GPS 卫星发射的测距码信号到达用户接收机天线的电波传播时间。因此这种观测方法也称为时间延迟测量。
测相伪距观测量(常用) 卫星载波信号由发射到被接收,其间载波信号传播的相位称为载波相位观测量。由于载波频率高、波长短,所以载波相位测量分辨率高。
开普勒积分计数伪距差 卫星相对于地面的 GPS 接收机存在着相对运动,因此接收到的信号中存在着多普勒频移。利用多普勒频移测得相对距离。多普勒积分计数法静态定位需要数小时的观测时间,一般应用于大地测量之中,在动态应用中多普勒测量,可用来计算测站的运动速度。
干涉法测量时间延迟 所需的设备相当昂贵,数据处理十分复杂,待进一步的研究开发。

3.4.1 直接估算

首先,GPS卫星轨道距离在20200km上下,综合接收机所在纬度的因素,卫星信号传到接收机的时间大约在70ms左右,上下浮动几毫秒。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

当卫星始终和接收机时钟的时间差Δ�0比较大的时候,比如接收机慢30ms,伪距PSD的计算值就会来到30000km左右。这个PSD测量值就没有任何意义,此时还不如直接用 0.07�×� 作为伪距更准确一点。反正后面都会进行迭代计算,用这个收敛的还更快一点。

3.4.2 测码伪距测量

当接收机也有比较靠谱的RTS(real time clock),与卫星时钟差Δ�0很小的时候,就可以采用测码伪距测量。

所谓测码,即接收机捕获并对齐测距码之后,即可对卫星的导航电文进行解析,获取子帧的时间戳。每个子帧的转换字HOW中都会有一个星期时TOW,这是GPS系统采用的一种时间,**其分辨率为1.5s,在每周六的零点归零,**最大记数就是7 x 24 x 3600。关于其具体的定义,可以参考GPS signals - Wikipedia中Time的解释;

注意,在子帧播发时间的位置,第一个bit的边沿是与TOW的时间值严格对应的,因为每一个bit的播发都有固定的时间间隔,如此就可以在接收机上还原出卫星发射每个信号的精确时间。并且,刚好单个子帧发送时间6s是TOW时间分辨率1.5s的整数倍,如此就可以循环下去。

image

继续观察导航电文结构

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

  • C/A码与P码

而GPS的伪距测量分辨率级别分为两种:

  1. **SPS(Standard Position System 标准定位系统):使用C/A码,**其频率为1.023MHz,也就是一个码元的时长间度是977.5ns,对应的波长是293m,一般情况下水平方向的伪距测量的分辨率能达到20-30m左右。应用于最常见的民用系统。

  2. PPS(Precis Position System 精密定位系统)使用 P 码, 频率为10.23MHz,单个码元对应波长为29.3m,其伪距测量分辨率会达到2-3m。过去只提供给军事或国家使用,目前貌似也开放给民用。

测码伪距测量方法的分辨率都不是算高,但胜在原理简单,速度快。因此其是当前GPS接收设备的主流伪距测量方案。

3.4.3 辨析(笔者个人意见,也摸不准,谨慎阅读)

1. 分辨率与精度

**“分辨率 resolution”不是“精度 precision”。“**精度“是指测量值与真实值之间的差值,“分辨率”是指传感器最小能读到的数值,即被测量变化多少能引起传感器响应。

许多文章都把这块写成 “伪距测量精度”,个人认为这有问题。伪距就是因为存在时钟差 Δ� 的未知量导致距离测不准,**测不准的距离哪来的精度?因为P码的频率高,因此其作为标尺的“刻度”更小,**比如对同一伪距的测量,用C/A码测出来20500.4km,用P码或许可以测出来20500.53km,但这些数值都是不准的。

更小的伪距分辨率也很难带来更好的最终测量结果。因为PSD的数值仅仅是最终迭代算法的初始值,难道最终的收敛值会因为初始值取到小数点更后面几位而变得更好?

很多文章说之前美军采用P码,所以其最终定位精度可达2m,而民用C/A码所以最终测量精度只能到20m,这应该也是错误的。之前军用GPS精度高是因为美军采用双频GPS,抑制了电离层延迟误差,而现在民用也开放了双频GPS,因此民用也能达到2m的定位精度。也因此,我接触的一些项目里,一些整车厂甚至期望用单纯的GNSS信号达成车道级导航(尽管难度大,场景有限)。军方采用P码很大程度上是因为P码的伪随机序列频率更高,不容易被破解。

2. 卫星自身运动是否影响伪距测量结果

**问题:**GPS卫星在发送数据时候,同时也在以~14000km/h的速度绕轨道飞行,而卫星发送一个子帧数据需要6s,这时卫星已经跑了20多公里,那么这是否会影响伪距测量?

**答:不会影响,因为根据子帧中的星期时TOW代入星历,可计算出在发射数据的当时,卫星的确定位置,**后面卫星的飞行不会对伪距测量产生影响。

3. 地球自转是否影响伪距测量结果

**问题:**数据由GPS卫星发射到接收机,在此期间地球也在自转。这是否会对伪距测量产生影响?

**答:**是有影响的,在地心地固坐标系下,接收机位置没有变化,但接收机所在ECEF坐标系与卫星所在天球坐标系会随地球自转产生偏转,因此需要使用一定的方法进行修正。

image

3.4.4 载波相位伪距测量

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

载波相位测量原理

推荐观看,加强理解:

卫星导航接收机设计第9讲-码伪距与载波相位伪距方程的建立_哔哩哔哩_bilibili​www.bilibili.com/video/BV1dM4y197VC/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=f6a6eca87c96a71ae167de404df806bbimage

3.4.4 补充:GPS冷启动问题

思考问题:

从上面的描述中可以知道,卫星传输星历等数据非常慢,等到用户机搜集齐4颗以上卫星的数据至少也得30s左右,甚至好几分钟。而我们平时一打开手机地图,马上就能迅速定位,这是什么原因?

**解答:**因为芯片会存储一些卫星数量、轨迹数据(短效星历),下次开机时即可快速定位。详细可参考:浅谈手机GPS(A-GPS)定位因素原理 - 硬件相关 (miui.com)

REF:

  1. Calculating Position from Raw GPS Data – Telesens

  2. GPS定位笔记1(三边测量及多边测量,DOP) - 知乎 (zhihu.com)

  3. 整周模糊度_百度百科 (baidu.com)

  4. GPS从入门到放弃(九) — 伪距与载波相位

  5. GPS signals - Wikipedia

  6. 王元明,吴延忠 定位解算中伪距的地球自转改正

  7. (18条消息) 相对定位中整周模糊度确定方法_枯荣有常的博客-CSDN博客_整周模糊度

3.5 GNSS的误差分析

实际过程中,GNSS定位会受到多种误差因素的影响,包括:

3.5.1 卫星星历误差

卫星在太空中运行受到其他天体的摄动力影响(就是被其他天体吸引),地面监测站难以充分可靠测定这些摄动力的影响,使得测定的卫星轨道(星历)会有误差。同时,检测系统,接收系统也会引入误差。导致其真实的位置只能做到1~5m的精度。

解决方法:

  1. 建立更多的地面观测站,收集更准确的卫星轨道数据,计算更准确的星历(下文PPP的做法)。

  2. 差分定位消除星历误差(RTK的做法)。

3.5.2 卫星时钟误差

卫星上使用了高精度原子钟,但由于这些钟与GPS标准时之间会存在着随时间变化的频偏、频飘,导致星钟和GPS标准时不同步。

解决办法:

  1. GPS报文中会提供卫星时钟误差二项式,对其拟合求解来消除;

  2. 同上,建立更多的地面观测站,计算更精确的时钟误差(PPP的做法);

ref:GPS从入门到放弃(十六)、卫星时钟误差和卫星星历误差_追捕的风的博客-CSDN博客_gps 星历误差

3.5.3 电离层误差 Ionosphere Error

image

3.5.4 对流层误差 Tropospheric delay error

距离地面60km以内的大气是非电离层:包含平流层、对流层。其仅有少量的带电粒子,总体呈现电中性。其折射率较小,对电磁波的传播速率影响很小。并且其对频率低于30GHz的电磁波可认为是非弥散性介质,即电磁波在其中的传播速度与频率无关。

但对流层的折射与地面气候、大气压力、温度及湿度等变化密切相关,这也使得对流层折射比电离层折射更为复杂。

对流层的折射误差主要反映在:信号穿过对流层时,传播路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差。对流层折射与卫星仰角有关,随着仰角的降低,GPS信号穿越对流层大气的路径长度增加,延迟逐渐增大。标准大气条件下,在中纬度参考海平面上。天顶方向(仰角0°)的对流层延迟引入的距离误差约为2.3m,而在近地面方向(仰角5°)时,对流层延迟可达25m。

**解决方法:**主要是通过大气观测构建对流层补偿模型(PPP-RTK做法);二是引入描述对流层影响的附加待估参数;三是利用同步观测求差法(抄的,专业术语我也不懂) 。

image

大气传播误差:包括电离层、对流层

3.5.5 多径效应

多径效应指的是GNSS信号会受到建筑、山体、树木等反射,因而接收机可能会接收到这些经过一次甚至多次反射后的卫星信号,从而产生测量误差。反射波的信号强度一般也会减小。

**解决方法:**多径误差取决于反射物距离接收机的距离和反射系数,以及卫星信号的方向等条件因素,已经无法建立准确的误差模型。甚至在遮挡严重的地方直接会搜星失败。因此基本没有解决办法,只能通过改善接收天线,或延长观测时间的方式抑制。

image

多径反射对定位影响

3.5.6 接收机噪声

接收机存在接收噪声以及时间延迟,只能以有限的精度确定输入的卫星信号时间。当然,“钞能力”可以抑制这一问题。

**3.5.7 卫星几何形态:**如果用于测量的4颗参考卫星较为接近时,确定位置会较为困难。

image

卫星距离越远,伪距测量越精确

3.5.8 双频GPS技术

综合以上因素,整理各要素对GNSS定位精度的影响如下:可看出,电离层误差对测量误差的影响最大。

误差因素 误差值(单位:m) 解决方法
星历数据 1.5 独立建设观测站
卫星时钟 1.5 二项式拟合求解
电离层影响 3.0 建立电离层补偿模型
对流层影响 0.7 建立对流层补偿模型
多径效应 1 几乎无法解决
接收机噪声 0.5 钞能力
总均方根 4.0

而下一章节,我们讲述利用各种手段来消除上述误差因素,来达到更高的测量精度。

REF:

  1. 大气分层_百度百科 (baidu.com)

  2. 双频 GPS 到底能实现多高精度的定位? - 知乎 (zhihu.com)

  3. 双频GPS的工作原理? - 知乎 (zhihu.com)

  4. 伪距测量_百度百科 (baidu.com)

  5. 载波相位测量_百度百科 (baidu.com)

  6. 整周模糊度的确定 (jdzj.com)

3.6 中国导航地图的加偏

我是一个Google Earth爱好者,无聊的时候喜欢对着电脑周游世界。而之前总会发现一个问题:中国的卫星影像和道路数据都是偏离的。比如下图的地图数据与卫星图像偏差了500多米。

image

Google earth地图与遥感影像的偏差,如图可达500m

上海的东方明珠塔的位置也偏差了484米。且这种偏差的方位、以及距离好像都没什么规律。

image

上海浦东

而当我们来到美国宾夕法尼亚的一处立交桥,可以看到卫星影像和道路地图严丝合缝,切换到欧洲、日本、印度等地,地图和影像都是重合的。

image

美国宾州一处立交桥

出现以上现象的原因就是:出于对国防安全的考虑,中国对电子地图进行了**人为的、不可逆的加密偏转。**而卫星影像本身是没有被处理的。如此一来,是没有办法逆向推导出真实的位置信息的。

国内地图公司测绘的各种地图,在出版前都需要送到国家测绘局,将真实坐标的地图进行加偏后方能出版。采用的算法为**非线性的、随机加偏算法,**代表性的算法有国测局GCJ-02、百度BD-09等等,人们将加偏后的坐标戏称为“火星坐标”。

那么,地图加偏之后,是否会影响导航的定位过程呢?

答案是不会。使用时,GPS接收设备首先会获得一个未加偏的WGS84坐标,然后对其执行相同的加偏算法,如此GPS设备和地图的相对位置是准确的,如此就可以完美叠加匹配了。(实现方式可以是调用地图服务的API、或者设备端采用加偏芯片或执行加偏算法等多种)

至于这种的做法是否真的有用,我个人持反对的态度,我认为这就是制度、政策赶不上时代的典型。首先,当前20世纪初那些愚蠢老掉牙的GCJ02、BD09等加偏算法早已破解,经过一两次迭代,是可以很容易地转换为WGS84坐标的。对这两种算法的解密可参考下文:

Reimu Hakurei:从地球到火星 ~ 论 GCJ-02 及其衍生180 赞同 · 20 评论文章image

如何看待「地形图非线性保密处理技术」?1022 关注 · 37 回答问题

敌方想要攻击我方,难道会使用我们中国加偏后的地图和坐标系统?肯定会采用人家自己的坐标体系,并且目前卫星遥感测绘的仪器和算法的精度越来越高,人家想要攻击哪里自己都能定位。想用这种加偏算法蒙混过关完全就是掩耳盗铃,反而给国内的GIS行业和LBS应用造成了相当多不必要的麻烦。使得国内的GIS行业能力长期落后于国外。

并且,此类规定也给自动驾驶的数据闭环造成了相当大的阻碍,当国外的公司轻松搭建数据闭环,通过海量数据快速更新迭代自己的模型的时候,我国的自动驾驶行业还需要在夹缝中小心翼翼的生存!

Ref:

  1. Google Earth

  2. 火星坐标系统_百度百科 (baidu.com)

  3. Android 用户如何对 GPS 的「火星坐标」纠偏? - 知乎 (zhihu.com)

  4. GitHub - hiwanz/wgs2mars.js: 地球坐标系 (WGS-84)转火星坐标系 (GCJ-02)地图纠偏算法Javascript版

  5. 中国地图的坐标系偏移是否能够真正的保护国家安全?(在卫星遥感技术很精确的情况下) - 知乎 (zhihu.com)

4. GNSS定位增强技术

2022.04.29修改:对PPP,RTK,NRTK,PPP-RTK结合的定位方式进行调研,并阐述。

2023.02.10修改:修订本章;

从前面可知当然,由于种种误差因素,采用双频GNSS的定位精度的极限也就是米级的水准。但对于自动驾驶、无人机导航而言,需要分米/甚至厘米级的定位精度才能满足车道级导航的需求。因此,有没有方法能进一步提升GNSS的精度?常用的有几条技术路线:

  1. 非差分定位方法:以PPP、PPP-AR为代表;

  2. 差分定位方法:以RTK为代表;

  3. 结合上述两种方法:PPP-RTK;

image

各种定位方式的精度与范围

4.1 精密单点定位PPP-precise point positioning

PPP由非差分定位技术发展而来,非差分方法的思路是:与上文提到的各种误差死磕到底。星历和时钟不准,那就用更多基站观察卫星,算出更准的星历和时钟误差,电离层和对流层会引起误差,那就观察大气,并建立两个庞大的大气补偿模型。然后把这些修正值、补偿模型发送给用户,提升定位精度。

PPP是一种全球尺度的定位技术。其工作原理是:

  1. 首先,有一批GNSS运营者之外的组织,比如加拿大天宝公司trimble、美国Novatel公司、瑞典海克斯康公司、国际GNSS服务IGS组织,国内的千寻位置,六分科技等,觉得GNSS提供的卫星星历、时钟修正不够准,于是自己在全球建立许多基站,或者租用别人的基站来跟踪卫星,解算更高精度的卫星星历和时钟修正数,从而修正轨道和时钟的误差。

  2. 然后,这些组织、商业公司自己花钱发射通信卫星,或者租用卫星(一般在地球同步轨道上,覆盖面积广),将消除误差的信息发送到卫星上,再由卫星发送给PPP的用户,这样用户就可以获得静态毫米至厘米级,动态厘米至分米级的定位服务。

image

PPP原理示意图

image

天宝RTX全球参考站全球分布

PPP主要消除的是星历误差和**卫星时钟误差,**而对其他的电离层、对流层、多径效应造成的误差则无能为力。

**PPP的优点:**不用架设过多的地面基站,而且在全球范围内,收敛精度可厘米级。

**PPP的缺点:**最大的缺陷在于收敛时间极长,前些年的产品需要接近30分钟才能完成定位的收敛(我也不知道为啥收敛时间长,知道的告诉我一下);并且,信号丢失后的重新初始化时间几乎和首次初始化一样久。这对于自动驾驶的实时定位而言是不可接受的。当然,近几年PPP的收敛时间也在不断的优化。通过模糊度固定方法(AR)快速获得载波相位的整周部分值,从而快速收敛,这种产品被称为PPP-AR。

关于PPP定位的具体算法,可参考(反正我是看不懂)

lunwen.users.sgg.whu.edu.cn/wp-content/uploads/sites/98/2016/01/GNSS精密单点定位及非差模糊度快速确定方法研究(李星星).pdf

4.2 实时动态定位RTK-real time kinematic

4.2.1 RTK原理

RTK是由差分定位技术(Differential GNSS)发展而来。相比非差分定位,差分定位的思想十分讨巧:对于两台相距不远的GNSS接收机,其受到的卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟等误差是接近的,那么对这两个信号量做减法,这些误差因素就全部被消除了。这种方法叫做”站间单差“。

而用一台接收器在同一时刻接收两颗卫星的信号,那么两个信号里GPS接收器和卫星的时间差Δ�0也是一样的,同样做减法就可以消除,这种方法称为“星间单差”。经过两次减法已经消除了大部分影响定位精度的误差,可以达到毫米级的相对定位精度,这叫做“站间星间双差”。

可以看到,差分方法要比非差分方法省力的多,但也要注意,RTK得到的是两个接收机间“相对定位精度”,而不是绝对定位精度。PPP得到的则是ECEF坐标系下绝对的定位精度。

RTK产品的具体的做法是:

  1. 将一台接收机安置在基准站上并观测自身坐标;

  2. 将观测数据实时广播给用户接收机(接收机距离基准站不超过20km,否则误差因素不再趋同,且信号弱)

  3. 流动站接收到基准站观测数据,同时自己也在观测卫星数据;

  4. 用户接收机根据相对定位的原理,对两组数据进行差分运算,消除前述误差项,解出精确的三维坐标,理论精度可以达到1cm以内。

image

RTK原理示意图

RTK的优点:能够将基准站和用户接收机共有的误差抵消,精度比PPP更高。而相对于PPP的最大优势还是能够极快的实现测量收敛(毫秒级)

**RTK的缺点:**需要提前人工架设基准站,并且,随着接收机与基准站距离的增加,定位精度越来越低,因此,用户和基准站之间的距离不能太远,这也是RTK的一个局限。

4.2.2 三种信号差分的方式

用户地接收机在进行GPS观测的同时,也接收到基准站发出的改正数,并对其定位结果进行差分校正,从而提高定位精度。差分方式可分为三类**:位置差分、伪距差分载波相位差分**。

  • 位置差分position difference:

位置差分是最简单的差分方法,其大前提是知道基准站的精确坐标。

  1. 基准站接受GNSS信号解算出的坐标,与已知的精确坐标之间存在误差,记为 (Δ�,Δ�,Δ�) 。那么该基准站周围一定距离内,其他接收机的误差大体上也是这个数值。

  2. 基准站将此位置修正数据(Δ�,Δ�,Δ�)播送出去,由用户站接收后,直接加在用户接收机解算后的坐标上即可。

位置差分的方式适用于基准站和用户站观测同一组卫星的情况,一般情况下精度可达5m左右,用户与基准站间的距离需在100km以内。

image

位置差分:最简单的差分原理

  • 伪距差分PSR difference:

image

  • 载波相位差分 carrier phase difference

一般的RTK专指载波相位差分其精度可达到1cm左右。对于RTK,是可以不知道基准站的精确坐标的,如此会得到基准站-接收机之间十分精确的相对坐标值。当然,知道基准站的绝对位置更好,那样就能得到接收机的精确坐标。

载波相位差分的基础原理是:

  1. 基准站测量载波相位,并将与坐标信息一同发送给用户接收机;

  2. 用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位,并组成相位差分观测值进行实时处理,能实时给出厘米级的定位结果。

载波相位差分的具体算法可以参考下面的文章(笔者又没怎么看懂,公式太复杂了,好伤):

GNSS原理及技术(三)——差分定位技术_bit_kaki的博客-CSDN博客_差分定位原理

GNSS伪距及载波相位观测模型_Chaoz3的博客-CSDN博客_载波相位观测方程

4.2.3 RTK基准站的形式

广播差分信号的基准站可以有两种布置形式,移动的基准站,固定的基准站:

  • 移动的基准站

image

移动基准站——控制点

常见的基准站是类似上图这种可以移动的基站。在作业时候,需要在待测绘的地区提前布置调试基准站,之后再在相应的区域内进行作业。我们日常生活中路过工地的时候经常能看到大猛子们扛着如上图的RTK设备进行测量。

而具体到高精地图外业采集场景,则至少需要两量作业车辆。前一辆车在规划的路径上安装基准站,为后一辆高精地图采集车提供精准的定位。这种RTK作业方式需要两套设备 + 两拨人马,且需要架设基站后需要半小时的等待时间,不够高效灵活。

  • 连续运行参考站 CROS 与网络RTK(NRTK)

另一种RTK基准站是连续运行参考站网络(CORS,Continuously Operating Reference Stations)。**CROS的概念是:**一个或若干个固定的、并且连续运行的GNSS参考站,利用数据通信和互联网(LAN/WAN)技术组成的网络,将这些基站连接起来,实时地向用户自动提供经过检验的不同类型的GNSS观测值(载波相位,伪距),各种改正数、状态信息,以及其他有关GNSS服务项目的系统。

**简单粗暴理解就是:**把基准站放一个地方让它不动,并且让它永远工作;然后在中华大地插满固定基准站,走哪哪都能精确定位~

image

CROS基站

这种使用固定基站的RTK技术也叫**“网络RTK(NRTK)”**。利用网络RTK,用户可以利用多个固定基站进行信号差分,实现比单一流动基站更高精度的定位。显然,使用CROS可以很大程度提高作业的灵活性,但CROS作为一种定位基础设施,必须要有组织/商业公司建立并维护的,就像手机信号塔一样,其覆盖度需要比较高。

代表性的CROS服务商是千寻位置,其是由中国兵工和阿里巴巴在2015年合资成立的。由中国兵工提供了全国超过2000多个精确位置的基站,阿里巴巴则负责研发定位算法,向用户出售差分定位服务。同样的,四维图新旗下的六分科技,以及如中国移动等拥有大规模基站的企业也都有CROS服务(定位涉及国家机密地理数据,上述CROS供应商基本都有一些官方背景)。腾讯在2022年也推出了自己的CROS基站服务。

4.3 PPP-RTK技术

前文提到,RTK的主要优势在于瞬时收敛到厘米级的定位精度,缺点是需要大面积铺设地面基站;PPP的优点是不用铺基站即可全球定位,但其漫长的收敛时间限制了其应用场景。尽管PPP-AR通过载波相位的整周模糊数固定缩短了收敛时间,但仍然无法满足实时性定位的需求。

而近些年来的趋势是PPP与RTK的统一。其原理较为复杂,公开的技术细节也不多,笔者也看不大懂(有推荐的资料可以告我一下)。

image

PPP-RTK的合流

笔者只知道PPP-RTK在兼具RTK和PPP的优势,RTK、PPP、PPP-RTK的收敛速度、定位精度、覆盖范围三个维度的对比如下图,PPP-RTK具有较高的“伸缩性”。

image

RTK、PPP与PPP-RTK导航与位置服务模式对比

当前,相当多的位置服务商都开始提供PPP-RTK服务,国外的有Trimble的CenterPoint RTX、NovAtel的TerraStar-X、Fugro公司的Marinestar G4+以及GEO++公司的SSRPOST等,某PPP-RTK系统在平面收敛至5厘米和2厘米分别需要0.5分钟和2.5分钟,高程收敛至10厘米和5厘米分别需要2分钟和3.5分钟,这大大优于PPP的收敛速度。

国内的供应商有千寻位置、六分科技、时空道宇、中海达、大有时空、华测这些。而据说千寻位置的PPP-RTK产品可以在50s之内收敛之厘米级精度。

最后总结一下这三种方式的优缺点:

PPP RTK PPP-RTK
覆盖范围 全球 架设基站区域 全球
收敛时间 数十min 瞬时 数秒
地面基站密度 仅有观测站 密集,约20km一个 稀释
定位精度 厘米-分泌级 厘米级 厘米-分米级

ref:

【科普】盘点卫星RTK、PPP到PPP-RTK技术的那点事 - 知乎 (zhihu.com)

求大神说一下PPP-RTK的技术思路是什么? - 知乎 (zhihu.com)

5. GNSS定位增强技术与自动驾驶

PPP,RTK和PPP-RTK这些增强的GNSS定位技术,都为自动驾驶的定位应用提供了有效的支撑。

目前,RTK的应用相对更加广一些,毕竟RTK的收敛几乎是瞬时的,以千寻为代表的厂商也把CROS基站铺向了全国。相当多的自动驾驶车辆都会采用基于CROS的RTK定位技术。截至2022年,RTK已在多个装备了辅助驾驶的车型上量产。当前,较为成熟的RTK模块u-blox F9批量采购的成本可降至千元以内。当前许多车型都预装了该RTK模块。

image

U-blox F9模块

在高精地图产业,一些图商逐渐不再自己扛着基准站打控制点,转而采用NRTK的方案,很大程度上减少外业作业成本。比如高德、Monenta购买了千寻的服务,四维则是采用自家的六分科技的CROS服务。

当然,PPP-RTK也在一些量产车型上得到了应用,比如凯迪拉克装备了Super Cruise辅助驾驶系统的车型,统一采用了天宝(Trimble)提供的Centerpoint RTX高精定位系统,可以实现亚米级的定位精度。

当然,由于多径效应,GNSS卫星定位在城市峡谷、山区等存在遮挡的状况下的性能会严重下降,基本只能提供米级的定位精度,甚至于直接无法使用,这在目前仍然是极难攻克的问题。因此在自动驾驶系统中,RTK或PPP-RTK也并非100%工况适用的定位系统,仍然需要配合其他定位系统,例如IMU、基于视觉、激光雷达的定位系统使用。

相关推荐

  1. 自动驾驶传感器融合学习笔记

    2024-04-04 01:22:03       32 阅读

最近更新

  1. ERESOLVE overriding peer dependency npm install错误

    2024-04-04 01:22:03       0 阅读
  2. ChatGPT改写:论文写作新时代

    2024-04-04 01:22:03       0 阅读
  3. LeetCode49字母异位词分组

    2024-04-04 01:22:03       0 阅读
  4. 【JVM】JVM的垃圾回收机制与垃圾回收器的选择

    2024-04-04 01:22:03       0 阅读
  5. 从安装系统到部署datax

    2024-04-04 01:22:03       0 阅读

热门阅读

  1. Oracle联机日志文件管理

    2024-04-04 01:22:03       2 阅读
  2. dlib中rectangle与opencv的rect的区别

    2024-04-04 01:22:03       5 阅读
  3. 0基础如何进入IT行业?

    2024-04-04 01:22:03       2 阅读
  4. os模块篇(十一)

    2024-04-04 01:22:03       3 阅读
  5. 借助ChatGPT写作:打造学术论文中的亮点与互动

    2024-04-04 01:22:03       5 阅读
  6. 零基础入门多媒体音频(6)-alsa(2)

    2024-04-04 01:22:03       4 阅读
  7. Spring Boot Actuator

    2024-04-04 01:22:03       4 阅读
  8. Collection中常用方法

    2024-04-04 01:22:03       5 阅读
  9. redis

    2024-04-04 01:22:03       3 阅读
  10. Yocto理论基础之layer

    2024-04-04 01:22:03       4 阅读