GNSS高精度定位原理詳解
現(xiàn)在室外使用最廣泛的定位手段是GNSS定位，常規(guī)的GNSS定位精度約5、10米左右，無法滿足高精度場景的應(yīng)用，如何提升GNSS定位性能是亟待解決的問題。本文由淺入深剖析GNSS定位原理并介紹如何實現(xiàn)厘米級高度定位。
1. GNSS基本概念
全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS：Global Navigation Satellite System）是一種以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)可給予時間/空間基準和所有與位置信息相關(guān)的實時動態(tài)信息，又稱天基系統(tǒng)。GNSS是否就是GPS？答案是否定的，GNSS包含了多個國家不同的星座系統(tǒng)，主要有美國的GPS系統(tǒng)，歐盟的伽利略系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，中國的北斗系統(tǒng)等另外還有其他的些區(qū)域定位系統(tǒng)，如日本QZSS等。
圖1 四個主要衛(wèi)星星座
2. GNSS定位基本原理
GNSS定位的基本原理是基于測距，即根據(jù)測量得到的衛(wèi)星與用戶設(shè)備之間的距離，計算用戶自身的位置。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以順利獲得哪些信息來計算衛(wèi)星與用戶之間的距離？已知距離信息后需要與哪些信息結(jié)合才能夠計算出用戶自身的位置？
第一時間分析如何獲取衛(wèi)星與用戶之間的距離，接收機（即用戶設(shè)備，后續(xù)直接稱為接收機）一般可以獲取到兩類距離測量信息，一類是偽距測量，一類是載波相位測量，下面分別說明。接收機可以根據(jù)一定的方法接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號同時記錄當(dāng)前接收機的時間，衛(wèi)星發(fā)射時間是已知的，因此可以取得信號在空間中傳播的時間，由于信號傳播速度為光速，因此測量得到的距離為pr稱為偽距，即pr不是真實的距離，有一定的誤差。
圖2 偽距測量
另外一種距離信息是載波相位測距，載波相位測距不是基于信號空間傳播時間完成測量，而是利用了電磁波的相位周期性完成測量；由于GNSS信號是電磁波，相位具有周期性，因此真實的相位應(yīng)該是N個整周+一個非整周相位，非整周部分可以順利獲得鎖相環(huán)精確取得，而整周部分N不確定，需要順利獲得其他手段確定，即Cp=(N+γ)*入，其中N為整周，γ一般是未知的，為非整周部分，λ為信號波長。
圖3 載波相位測距
載波相位測距與偽距有何區(qū)別？主要區(qū)別是精度不同，偽距精度一般是~1m，當(dāng)載波相位整周模糊度固定正確時，精度為~0.001m，因此基于偽距定位精度一般是米級，根據(jù)載波相位定位度可以達到cm級。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 獲取到衛(wèi)星到接收機的距離時，需要結(jié)合哪些信息計算接收機的位置呢？其實 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 還有另外一個信息．星歷信息，根據(jù)星歷信息 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以獲取到衛(wèi)星在各時刻的位詈及速度，結(jié)合衛(wèi)星位置以及衛(wèi)星與接收機之間的距離，順利獲得最小二乘法或者擴展卡爾曼濾波等方法可以確定接收機的位置。
圖4 GNSS定位基本原理
3. GNSS定位難點
如第2節(jié)所述，可以很簡單的計算出接收機的位置GNSS定位真的這么簡單嗎？ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 詳細看一下偽距測量以及載波測量有哪些誤差源：
①GNSS時鐘與接收機不同步；
②不同GNSS之間時鐘也不同步；
③接收機時鐘一般存在漂移；
④GNSS信號在傳幡過程中；會經(jīng)過大氣層和對流層，存在信號反射和折射，因此實際測距或者相位不是真實的距離；
⑤接收機與衛(wèi)星之間可能存在多路徑效應(yīng)，致接收到的信號不是直達信號；
⑥在很多地方只能收到極少數(shù)衛(wèi)星無法滿足定位需求；
⑦部分地方GNSS信號完全被遮擋，無法完成定位。
以上只列出了部分誤差源，實際情況可能會更復(fù)雜具體分類如下：
與衛(wèi)星有關(guān)的誤差：衛(wèi)星軌誤差，衛(wèi)星鐘差；
與傳幡途徑有關(guān)的誤差：電離層延遲，對流層延遲，多路徑效應(yīng)
與接收設(shè)備有關(guān)的誤差：接收機天線相位中心的偏移和變化，接收機鐘差等；
下圖以示意圖的方式列出了各誤差源：
圖5 傳播過程中測距誤差
4. GNSS定位消除誤差方法
消除上述誤差一般有如下2種思路：①模型改正法：對誤差進行建模估計并補償；②求差法：順利獲得差分將特定的誤差、消除或減弱，根據(jù)如何消除這些誤差源，實時GNSS定位可以簡單分為單點定位、以及RTK定位。
單點定位直接根據(jù)測量得到的偽距信息完成定位，定位過程中對接收機鐘差進行建模，部分算法會對電離層和對流層進行建模，計算中采用廣播星歷精度較低，最終定位精度一般是米級。
PPP是精密單點定位，是采用精密星歷并對接收機和衛(wèi)星的鐘差、時鐘漂移、電離層，對流層進行建模，從而實現(xiàn)較高精度定位，PPP定位度可達10cm，但是一般收斂時間較慢，需要30min以上。
RTK是實時動態(tài)定位，除了利用接收機收到信息，還用了差分基站的信息。差分站是一個位置精確已知的高精度接收機，可以接收到與用戶接收機比較類似的GNSS信息，差分站接收到GNSS信號后，順利獲得網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶接收機，用戶接收機順利獲得對自身接收的信號與差分站接收到的各信息作差，可以完全消除鐘差，衛(wèi)星軌道等參數(shù)影響，也可以削弱電離層和對流層的影響，為何是削弱而不是消除呢？因為此處 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 假設(shè)衛(wèi)星到用戶接收機的傳幡路徑中電離層與對流層特征，與衛(wèi)星到差分站接收機的傳播路徑中電離層和對流層特征一致，但是在實際場景中，二者不一致，但是比較接近，因此可以削弱電離層與對流層的影響。
差分定位意圖如下：包括站間差分、星間差分以及歷元間差分。
圖6 差分定位示意圖
差分定位優(yōu)點：
①消除或減弱一些具有系統(tǒng)性誤差的影響；
②減少平差計算中未知數(shù)的個數(shù)。
差分定位缺點：
①原始獨立觀測量順利獲得求差將引起差分量之間的相關(guān)性；
②平差計算中，差分法將使觀測方程數(shù)明顯減少。
5. RTK算法基本原理
RTK算法是前最常用的GNSS高度定位技術(shù)，在開闊場景下，定位度達cm級，且在幾秒內(nèi)就可以完成。
上節(jié) ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 介紹了測量誤差的修正，當(dāng)誤差修正后 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以采用修正后的距離測量信息，計算定位結(jié)果，高精度定位必須采用載波相位進行定位，但是載波相位存在整周模糊度問題，即必須精確已知整周模糊度才能夠獲取精確的定位結(jié)果，因此RTK算法的核心是整周模糊度固定。
理論上，整周模糊度N必須是整數(shù)但是 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 根據(jù)最小二乘法或者卡爾曼濾波估計得到的N不是整數(shù)，而是實數(shù)，如何根據(jù)實數(shù)獲取到整數(shù)呢？最基本的方法是搜索即歷實數(shù)N附近的所有整數(shù)，評估定位誤差選取誤差最小的整數(shù)組合即為真實的整周N。由于測量信息中存在載波相位和偽距，二者量測精度差異較大，導(dǎo)致整周模糊度搜索空間巨大，復(fù)雜度高，因此 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以順利獲得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，消除各參數(shù)之間的相關(guān)性，縮小搜索空間，從而提升算法效率，常用的方法有l(wèi)ambda等。如下圖所示：參數(shù)變換前后，搜索空間明顯減小。
圖7 參數(shù)空間變換前后搜索空間對比
6. RTK算法缺點及改進方法
RTK定位在較為開闊環(huán)境下定位可達厘米級性能滿足高定位要求，但是在復(fù)雜環(huán)境下定位性能無法保證，因此無法順利獲得單獨依靠RTK完成全場景高精度， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 必須順利獲得其他手段來提升定位精度，主要有以下幾個方案：1、順利獲得大量歷史數(shù)據(jù)分析，直接優(yōu)化RTK算法；2、順利獲得結(jié)合慣性傳感器，利用組合導(dǎo)航的優(yōu)勢提升定位性能；3、采用其他短離高度定位的方式，比如藍牙定位以及NFC定位等。
7. 成果應(yīng)用及意義
高精度定位技術(shù)是一種非常精密、復(fù)雜的精確導(dǎo)航技術(shù)。在交通運輸、測量測繪、無人機定位、自動駕駛、共享兩輪車等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，它已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中不可或缺的一部分。
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