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車載高精度定位的 “硬核技術(shù)”:PPP-RTK 輕松懂

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現(xiàn)在科技越來(lái)越發(fā)達(dá),厘米級(jí)定位早就悄悄走進(jìn)了很多領(lǐng)域:高階輔助駕駛、高精度導(dǎo)航、打車軟件、無(wú)人快遞車等。想實(shí)現(xiàn)這種精準(zhǔn)的厘米級(jí)定位,有哪些靠譜的技術(shù)路線呢?


厘米級(jí)定位離不開(kāi)的金剛鉆:RTK和PPP

目前主流GNSS定位(GPS、北斗等),其PVT(位置、速度、時(shí)間)結(jié)果由偽距計(jì)算獲得。

衛(wèi)星定位的原理很簡(jiǎn)單:地面設(shè)備(接收機(jī))通過(guò)接收多顆衛(wèi)星的信號(hào)并計(jì)算時(shí)間差,就能解算出接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離。再結(jié)合衛(wèi)星的軌道位置,通過(guò)精密計(jì)算,最終確定地面設(shè)備的三維坐標(biāo)。

道理雖然簡(jiǎn)單,但實(shí)際應(yīng)用中,卻面臨很多挑戰(zhàn)。其實(shí)說(shuō)白了,就是衛(wèi)星定位需要對(duì)抗大量的誤差。

這些誤差,有的來(lái)自衛(wèi)星,例如衛(wèi)星軌道誤差(衛(wèi)星本身的位置數(shù)據(jù)不準(zhǔn))、衛(wèi)星鐘差(衛(wèi)星原子鐘的時(shí)間不準(zhǔn))等;有的來(lái)自傳播途徑,例如大氣(電離層、對(duì)流層等)延遲、多路徑效應(yīng)等;也有的,來(lái)自地面設(shè)備本身,例如硬件延遲、本地鐘差、內(nèi)部噪聲等。

傳統(tǒng)的單頻單點(diǎn)定位,精度并不好,只能保證米級(jí)精度。如果遇到環(huán)境不好的情況,差到十幾米、幾十米都有可能。

為了解決這些問(wèn)題,工程師們就需要針對(duì)GNSS進(jìn)行增強(qiáng),推出高精度定位技術(shù)。于是,就有了RTK和PPP。

RTK

RTK,全稱叫做實(shí)時(shí)差分定位(Real-Time Kinematic)。它是通過(guò)設(shè)立一個(gè)或多個(gè)已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)站,對(duì)GNSS的精度進(jìn)行增強(qiáng)。

RTK工作時(shí),基準(zhǔn)站會(huì)向移動(dòng)接收機(jī)實(shí)時(shí)播發(fā)載波相位觀測(cè)值的數(shù)據(jù)(改正數(shù))。移動(dòng)接收機(jī)利用這些數(shù)據(jù),結(jié)合自身觀測(cè)的載波相位數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)解算出高精度相對(duì)位置,精度可以達(dá)到厘米級(jí)。


RTK原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),RTK就是通過(guò)一把刻度更細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)尺,實(shí)時(shí)計(jì)算終端和基站的距離,并告訴你當(dāng)前位置。

RTK這種采用區(qū)域基準(zhǔn)站觀測(cè)值進(jìn)行信息校準(zhǔn)的技術(shù),行業(yè)有個(gè)專門的叫法——觀測(cè)域(Observation Space Representation,OSR)校正。

PPP

PPP,全稱叫做精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning)。

它不是通過(guò)計(jì)算相對(duì)距離,而是通過(guò)數(shù)學(xué)建模分析過(guò)程中的每一項(xiàng)誤差,修正每一項(xiàng)誤差源來(lái)提高定位精度。

通過(guò)幾百個(gè)全球框架站,匯總到中心處理站(CPF)來(lái)建模修正精密衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差等誤差源。


PPP原理

PPP工作時(shí),地面用戶設(shè)備(接收機(jī))會(huì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星鏈路播發(fā)從CPF獲取這些數(shù)據(jù),然后,接收機(jī)通過(guò)內(nèi)部算法,將得到的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)用于修正觀測(cè)值,獲得分米級(jí)精度的定位結(jié)果。

如果說(shuō)RTK是一把精確的尺,那么PPP就是一個(gè)指南針,通過(guò)修正自身的誤差源,達(dá)到更高精度。

PPP這種通過(guò)狀態(tài)空間而非觀測(cè)值進(jìn)行精確誤差消除的技術(shù),行業(yè)也有專門叫法,叫做空間狀態(tài)域(State Space Representation,SSR)校正。

PPP服務(wù)有的是政府官方提供的,也有的是企業(yè)自建的。目前,全球比較知名的官方PPP增強(qiáng)服務(wù)分別是B2b(北斗)、CLAS(日本)、MADOCA(日本)、E6(Galileo)等。

PPP的再增強(qiáng)——PPP-AR和PPP-RTK

RTK和PPP都存在一些缺陷,所以,仍然需要進(jìn)一步從技術(shù)上增強(qiáng)。于是,就有了PPP-AR和PPP-RTK。

PPP-AR

PPP-AR,多了一個(gè)AR。這個(gè)AR可不是戴在頭上那個(gè)AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))眼鏡,而是Ambiguity Resolution(模糊度固定)。

它的原理有點(diǎn)復(fù)雜,是在傳統(tǒng)PPP(浮點(diǎn)解)基礎(chǔ)上,通過(guò)修正相位小數(shù)偏差(FCB)和未校準(zhǔn)相位延遲(UPD)等,將模糊度固定為整數(shù),從而提升收斂速度和定位精度。

看不懂也沒(méi)關(guān)系,反正PPP-AR就是算法上的增強(qiáng),給PPP這副“遠(yuǎn)視鏡”配上了自動(dòng)對(duì)焦功能,能將PPP的精度從分米級(jí)提升到厘米級(jí)。

PPP-AR的收斂時(shí)間也有明顯改進(jìn),傳統(tǒng)PPP需30-60分鐘,PPP-AR可縮短至10-15分鐘。

PPP-RTK

PPP-RTK,是將PPP和RTK技術(shù)進(jìn)行深度融合形成的技術(shù),由德國(guó)GEO++公司的Wübbena博士團(tuán)隊(duì)于2005年首次正式提出。

PPP-RTK既利用了PPP全球基準(zhǔn)網(wǎng)提供的衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差解算結(jié)果,具備了廣域覆蓋能力,也基于RTK的區(qū)域基準(zhǔn)站,對(duì)電離層誤差、對(duì)流層誤差等區(qū)域性誤差進(jìn)行了分析。


PPP-RTK原理

針對(duì)衛(wèi)星,PPP-RTK將軌道誤差和鐘差精確到2厘米。針對(duì)電離層,PPP-RTK實(shí)時(shí)構(gòu)建了電離層地圖(類似給大氣層做了CT掃描),掌握VTEC(垂直總電子含量)/STEC(斜向總電子含量)數(shù)據(jù)。針對(duì)對(duì)流層,PPP-RTK建立了三維大氣延遲模型,掌握GRID ZTD(格網(wǎng)天頂對(duì)流層總延遲)數(shù)據(jù)。多管齊下,可能影響定位結(jié)果的誤差因素被逐一剝離、校準(zhǔn)與補(bǔ)償,定位精度明顯提升。

PPP-RTK通過(guò)更多的數(shù)據(jù)輸入,建立了更多的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)快速收斂和高精度。

通過(guò)下面這個(gè)表格,我們可以更清晰看出這幾項(xiàng)技術(shù)之間的區(qū)別:


高精度定位技術(shù)對(duì)比

除此以外,PPP技術(shù)還有一些技術(shù)上的“天然優(yōu)勢(shì)“:

1、保護(hù)用戶隱私

傳統(tǒng)的RTK技術(shù)需要車輛用戶上傳自身的概略位置后,才可獲取到服務(wù)端播發(fā)的改正數(shù)數(shù)據(jù)。而PPP-RTK服務(wù)用戶無(wú)需上傳自身的概略位置,即可獲得服務(wù)的改正數(shù),隱私保護(hù)更安全。

2、不依賴單個(gè)基準(zhǔn)站

單個(gè)基站或者少數(shù)基站短時(shí)間離線的情況不可避免。PPP服務(wù)在遇到這種情況時(shí),也不會(huì)對(duì)定位性能產(chǎn)生顯著影響。對(duì)高階輔助駕駛而言,服務(wù)的穩(wěn)定性和可用性有了更高的保障。

3、播發(fā)方式多

PPP的各類增強(qiáng)改正信息可以通過(guò)L-Band頻段進(jìn)行廣播播發(fā)。這意味著,在通信中斷、網(wǎng)絡(luò)受限、地面差分不可達(dá)等極端應(yīng)用場(chǎng)景下,PPP仍能為用戶終端提供連續(xù)、可靠的高精度定位服務(wù)能力。

衛(wèi)星定位技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化

如今,隨著市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng),越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域,推出基于RTK、PPP、PPP-AR、PPP-RTK等技術(shù)的高精度定位解決方案。移遠(yuǎn)通信,就是重要參與者。

作為全球領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)整體解決方案供應(yīng)商,移遠(yuǎn)通信多年前就布局高精度衛(wèi)星定位技術(shù),率先推出支持多頻多模GNSS的模組產(chǎn)品,并持續(xù)迭代升級(jí)至支持PPP-RTK全鏈路解算的產(chǎn)品。

這些GNSS模組具有高性能、高可靠性、高兼容性等特點(diǎn),可以與IMU等導(dǎo)航算法相融合,滿足復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的需求。


移遠(yuǎn)通信車規(guī)GNSS模組

LG69T、LG690P、LG695P、LG660P、LG690TA等系列模組通過(guò)嚴(yán)格的可靠性測(cè)試,皆滿足車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。在L2+級(jí)高階輔助駕駛系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)上車,定位精度高,TTFF(首次定位時(shí)間)縮短至28s以內(nèi)。

移遠(yuǎn)通信的LG69T模組搭載收費(fèi)的PPP-RTK服務(wù),成功在某車載項(xiàng)目落地。采用該模組的越野車,可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高精度定位,在無(wú)信號(hào)的偏遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠無(wú)人區(qū),仍能輸出高精度定位結(jié)果,探索最佳的越野路線。模組可全程記錄高精度的行車軌跡,充分保障車輛和人員安全。

特別值得一提的是,除了產(chǎn)業(yè)研發(fā)之外,移遠(yuǎn)通信在服務(wù)和交付方面也有一套成熟的服務(wù)體系。

移遠(yuǎn)通信擁有遍布全球的當(dāng)?shù)劁N售和技術(shù)支持,能夠?yàn)榭蛻籼峁姆桨冈O(shè)計(jì)、模組選型、算法適配到實(shí)車標(biāo)定的全周期技術(shù)支持,完善的軟硬件配套協(xié)助導(dǎo)入,滿足各種產(chǎn)品和應(yīng)用需求。

在交付能力方面,移遠(yuǎn)通信擁有獨(dú)立的工廠產(chǎn)線,采用專業(yè)的管理標(biāo)準(zhǔn),確保產(chǎn)品從研發(fā)到量產(chǎn)的高效協(xié)同與穩(wěn)定供應(yīng),月產(chǎn)能可達(dá)百萬(wàn)級(jí)模組規(guī)模。

目前,移遠(yuǎn)通信GNSS模組已廣泛應(yīng)用于智能車載座艙導(dǎo)航、車位到車位的高階輔助駕駛等領(lǐng)域,擁有大量交付案例,得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。

結(jié)語(yǔ)

目前,整個(gè)社會(huì)都在加速推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。物理世界與數(shù)字世界的孿生映射,也正悄然從概念走向現(xiàn)實(shí)。

高精度衛(wèi)星定位,正是這場(chǎng)虛實(shí)交融的時(shí)空基座。它如同一把“刻度尺”,在數(shù)字世界中精準(zhǔn)錨定每一個(gè)物理實(shí)體的坐標(biāo)。有了它,虛實(shí)交互才真正得以實(shí)現(xiàn)。

面向未來(lái),高精度衛(wèi)星定位技術(shù)仍將持續(xù)演進(jìn),實(shí)現(xiàn)更高的精度,更短的收斂時(shí)間,更強(qiáng)的環(huán)境魯棒性,以及更廣域的無(wú)縫覆蓋能力。這不僅是參數(shù)指標(biāo)的躍升,更是從“可用”到“可信”、從“單點(diǎn)精準(zhǔn)”到“全場(chǎng)景可靠”的范式轉(zhuǎn)變。

讓我們共同見(jiàn)證定位技術(shù)創(chuàng)新革命的到來(lái)!

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