一、背景

前文《衛(wèi)星定位技術(shù)學(xué)習(xí)筆記》已經(jīng)介紹了一下GNSS定位技術(shù)，并簡單介紹了一下高精度定位技術(shù)。目前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(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高度定位。

二、GNSS定位原理

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)可提供時(shí)間/空間基準(zhǔn)和所有與位置信息相關(guān)的實(shí)時(shí)動(dòng)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(gè)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。

每個(gè)GNSS星座都是由空間星座部分、地面控制部分以及用戶設(shè)備部分組成，空間部分提供我們定位所需要的各種信息包括星歷（衛(wèi)星軌道參數(shù)等信息）、發(fā)射測(cè)距信號(hào)等；地面控制部分的主要作用是根據(jù)監(jiān)控到的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改造參數(shù)，并反饋給衛(wèi)星，同時(shí)可以對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制以及發(fā)布指令等；用戶設(shè)備通過接收衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行一定的解算，可以獲得自身的位置和時(shí)間等信息。

2、GNSS定位基本原理

GNSS定位的基本原理是基于測(cè)距，即根據(jù)測(cè)量得到的衛(wèi)星與用戶設(shè)備之間的距離，計(jì)算用戶自身的位置。我們可以通過哪些信息來計(jì)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(jì)算出用戶自身的位置？

首先分析如何獲取衛(wèi)星與用戶之間的距離，接收機(jī)（即用戶設(shè)備，后續(xù)直接稱為接收機(jī)）一般可以獲取到兩類距離測(cè)量信息，一類是偽距測(cè)量，一類是載波相位測(cè)量，下面分別說明。接收機(jī)可以根據(jù)一定的方法接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)同時(shí)記錄當(dāng)前接收機(jī)的時(shí)間，衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間是已知的，因此可以獲得信號(hào)在空間中傳播的時(shí)間，由于信號(hào)傳播速度為光速，因此測(cè)量得到的距離為pr稱為偽距，即pr不是真實(shí)的距離，有一定的誤差。

圖2偽距測(cè)量

另外一種距離信息是載波相位測(cè)距，載波相位測(cè)距不是基于信號(hào)空間傳播時(shí)間完成測(cè)量，而是利用了電磁波的相位周期性完成測(cè)量；由于GNSS信號(hào)是電磁波，相位具有周期性，因此真實(shí)的相位應(yīng)該是N個(gè)整周+一個(gè)非整周相位，非整周部分可以通過鎖相環(huán)精確獲得，而整周部分N不確定，需要通過其他手段確定，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(hào)波長。

圖3 載波相位測(cè)距

載波相位測(cè)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(shí)，精度為~0.001m，因此基于偽距定位精度一般是米級(jí)，根據(jù)載波相位定位度可以達(dá)到cm級(jí)。

我們獲取到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離時(shí)，需要結(jié)合哪些信息計(jì)算接收機(jī)的位置呢？其實(shí)我們還有另外一個(gè)信息．星歷信息，根據(jù)星歷信息我們可以獲取到衛(wèi)星在各時(shí)刻的位詈及速度，結(jié)合衛(wèi)星位置以及衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，通過最小二乘法或者擴(kuò)展卡爾曼濾波等方法可以確定接收機(jī)的位置。

圖4GNSS定位基本原理

3、GNSS定位難點(diǎn)

如第2節(jié)所述，可以很簡單的計(jì)算出接收機(jī)的位置GNSS定位真的這么簡單嗎？我們?cè)敿?xì)看一下偽距測(cè)量以及載波測(cè)量有哪些誤差源：①GNSS時(shí)鐘與接收機(jī)不同步；②不同GNSS之間時(shí)鐘也不同步；③接收機(jī)時(shí)鐘一般存在漂移；④GNSS信號(hào)在傳幡過程中；會(huì)經(jīng)過大氣層和對(duì)流層，存在信號(hào)反射和折射，因此實(shí)際測(cè)距或者相位不是真實(shí)的距離；⑤接收機(jī)與衛(wèi)星之間可能存在多路徑效應(yīng)，致接收到的信號(hào)不是直達(dá)信號(hào)；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(hào)完全被遮擋，無法完成定位。以上只列出了部分誤差源，實(shí)際情況可能會(huì)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(duì)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(jī)天線相位中心的偏移和變化，接收機(jī)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(cè)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(duì)誤差進(jìn)行建模估計(jì)并補(bǔ)償；②求差法：通過差分將特定的誤差、消除或減弱，根據(jù)如何消除這些誤差源，實(shí)時(shí)GNSS定位可以簡單分為單點(diǎn)定位、以及RTK定位。

單點(diǎn)定位直接根據(jù)測(cè)量得到的偽距信息完成定位，定位過程中對(duì)接收機(jī)鐘差進(jìn)行建模，部分算法會(huì)對(duì)電離層和對(duì)流層進(jìn)行建模，計(jì)算中采用廣播星歷精度較低，最終定位精度一般是米級(jí)。

PPP是精密單點(diǎn)定位，是采用精密星歷并對(duì)接收機(jī)和衛(wèi)星的鐘差、時(shí)鐘漂移、電離層，對(duì)流層進(jìn)行建模，從而實(shí)現(xiàn)較高精度定位，PPP定位度可達(dá)10cm，但是一般收斂時(shí)間較慢，需要30min以上。

RTK是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，除了利用接收機(jī)收到信息，還用了差分基站的信息。差分站是一個(gè)位置精確已知的高精度接收機(jī)，可以接收到與用戶接收機(jī)比較類似的GNSS信息，差分站接收到GNSS信號(hào)后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶接收機(jī)，用戶接收機(jī)通過對(duì)自身接收的信號(hào)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(duì)流層的影響，為何是削弱而不是消除呢？因?yàn)榇颂幬覀兗僭O(shè)衛(wèi)星到用戶接收機(jī)的傳幡路徑中電離層與對(duì)流層特征，與衛(wèi)星到差分站接收機(jī)的傳播路徑中電離層和對(duì)流層特征一致，但是在實(shí)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(duì)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(diǎn)：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(jì)算中未知數(shù)的個(gè)數(shù)。差分定位缺點(diǎn)：①原始獨(dú)立觀測(cè)量通過求差將引起差分量之間的相關(guān)性；②平差計(jì)算中，差分法將使觀測(cè)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(dá)cm級(jí)，且在幾秒內(nèi)就可以完成。

上節(jié)我們介紹了測(cè)量誤差的修正，當(dāng)誤差修正后我們可以采用修正后的距離測(cè)量信息，計(jì)算定位結(jié)果，高精度定位必須采用載波相位進(jìn)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)但是我們根據(jù)最小二乘法或者卡爾曼濾波估計(jì)得到的N不是整數(shù)，而是實(shí)數(shù)，如何根據(jù)實(shí)數(shù)獲取到整數(shù)呢？最基本的方法是搜索即歷實(shí)數(shù)N附近的所有整數(shù)，評(píng)估定位誤差選取誤差最小的整數(shù)組合即為真實(shí)的整周N。由于測(cè)量信息中存在載波相位和偽距，二者量測(cè)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，因此我們可以通過數(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(duì)比

三、RTK算法缺點(diǎn)及改進(jìn)方法

RTK定位在較為開闊環(huán)境下定位可達(dá)厘米級(jí)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，因此無法通過單獨(dú)依靠RTK完成全場景高精度，我們必須通過其他手段來提升定位精度，主要有以下幾個(gè)方案：1、通過大量歷史數(shù)據(jù)分析，直接優(yōu)化RTK算法；2、通過結(jié)合慣性傳感器，利用組合導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)提升定位性能；3、采用其他短離高度定位的方式，比如藍(lán)牙定位以及NFC定位等。

四、成果應(yīng)用及意義

高精度定位技術(shù)可以應(yīng)用于共享單車／電單車、無人機(jī)定位、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。

審核編輯：彭菁