自動駕駛高精定位的PPP-RTK可行的系統架構設計方案

PPP-RTK

PPP的定位精度、實時性在一眾專家的努力下，有了長足進步。但是，由于受相位偏差、對流層和電離層延遲等各種殘余誤差的影響，PPP固定解初始化時間仍沒有多大改善，少則也需要20分鐘左右才能實現固定。

為了進一步改善實時PPP定位的精度、可靠性和時效性，德國GEO++公司Wübbena博士等人在2005年首次正式提出了PPP-RTK的概念，其基本思想是融合PPP和RTK兩種技術的優勢，利用已經建立起來的密集基準站設施，精化求解相位偏差、對流層和電離層延遲等參數，重新生成各類改正信息，并單獨播發給流動站使用，以此解決常規 PPP定位中非差模糊度的快速固定難題，從而實現快速、準確定位。

PPP-RTK的一種可行的系統架構如圖1所示。

圖1 PPP-RTK的一種可行的系統架構

與PPP架構最顯著的區別是，地面主控站與流動站之間多了一條通信鏈路，而這條鏈路讓PPP-RTK具有如下兩大特點，一是極大地提高了PPP定位的精度和收斂的速度，二是拓展了網絡RTK的服務范圍。

PPP-RTK從觀測值層面實現PPP與RTK的“緊組合”，以一種更優雅的方式解決了RTK“依賴于密集基準站資源，當多個CORS系統間存在覆蓋盲區時難以實現連續服務”的問題。這意味著在基準站覆蓋的區域，PPP-RTK和RTK相差不大，但是在基準站無覆蓋的區域，PPP-RTK可以降級為PPP使用，獲得不俗的定位精度。

這樣的特性恰好是自動駕駛功能完好性功能安全層面所期待的：

（1）功能完好性：PPP-RTK的各類改正數是分開解算的，可以獨立評估，從而較容易實現完好性監控，更能夠匹配智能駕駛在功能安全方面的需求；

（2）功能安全：讓失效變得緩慢，緩慢地讓車內用戶有時間接管，緩慢地讓最小風險策略可以從容地執行。

但是PPP-RTK畢竟還是丟掉了PPP定位不依賴于密集基準站的支持這一獨特優勢，如何在不采用基準站來增強，實現非差模糊度的快速初始化，是業界面臨的共同難題，也是PPP-RTK/PPP未來研究的重點。

下面匯總PPP、RTK、PPP-RTK三者之間的性能對比，如表1所示。

表1 PPP、RTK、PPP-RTK三者之間的對比

02 PPP-RTK服務介紹 ? 一、國外

（1）Hexagon/NovAtel——TerraStar服務

說起Hexagon，行業內很多人可能要反應個幾十秒，但提到NovAtel，估計很多人會脫口而出：這不就是那個一套接收機賣十幾二十萬的公司嗎！

NovAtel，這樣一家，創造了衛星定位和校正技術先河的先驅公司，2008年以3.9億美元賣給了Hexagon，這在當時讓很多人唏噓不已。

TerraStar服務是Hexagon/NovAtel基于全球100多個基準站數據，提供的全球高質量實時改正服務，該服務提供的改正信息通過5顆地球同步衛星（L波段）或網絡進行廣播傳輸，根據其作用范圍和性能，可分為TerraStar-L、TerraStar-C、TerraStar-C PRO與TerraStar-X服務。

TerraStar-C PRO是Hexagon/NovAtel首次采用其新開發的RTK from the sky精密單點定位技術的全球改正服務，可提供包括更高采樣率的衛星軌道和衛星鐘差改正等信息，同時也可以實現模糊度的快速整數固定。

TerraStar-C PRO改正服務，官方介紹具有厘米級定位精度、最快3分鐘實現收斂以及全球范圍可用等優勢，是目前世界上收斂時間最短的全球改正服務。

而TerraStar-X是在TerraStar-C PRO基礎上發展而來的區域改正服務，相較于后者的全球可用性，TerraStar-X側重在區域性運用（主要為美國部分地區），可實現厘米級定位精度和優于1分鐘的收斂時間。

TerraStar各項服務精度指標如表2所示。

表2 TerraStar各項服務精度指標

（2）Trimble——RTX Fast服務

Trimble公司成立于1978年，RTK接收機之父Javad Ashjaee在這里搞出了全世界第二個商用接收機4000A，RTK算法之父Benjamin Remondi也在這里挑燈夜戰過，他們共同成就了Trimble在20世紀末到21世紀初這段時間在衛星定位領域的霸主地位。

Trimble在2011年推出星基增強系統，2015年升級了區域電離層模型，支持現在常說PPP-RTK定位，其相對常規的PPP定位最大優點就是收斂時間短、固定快，所以取了個名字叫RTX Fast。

RTX Fast利用全球監測網來計算精確的衛星軌道和衛星鐘差，并將改正信息實時通過地球同步衛星（l波段）或網絡進行廣播，移動站收到改正信息后進行位置估計，具體采用的策略包括如下幾條。

（a）用數學模型精確地模擬誤差源，或者使用全球或者區域網絡數據進行誤差估計。

（b）衛星軌道誤差沒有在全球或區域網絡中建模，因為使用Trimble實時精確軌道或IGS超快速軌道產品可以更好地對衛星軌道進行建模。

（c）區域網絡中建立衛星鐘差模型，以吸收區域內出現的剩余軌道誤差。

（d）其他偏差則估計為小數部分，以保持載波相位觀測值的整數特性。

（e）RTX Fast服務器平均化處理來自基準站的載波和偽距觀測的多路徑和測站噪聲。

（f）RTX Fast生成的產品和改正信息以Trimble的CMRx壓縮數據格式，通過地球同步衛星L波段或網絡實現實時傳輸。

（g）移動通過接收衛星/網絡廣播的RTX Fast校正信息，并與所有其他GNSS衛星信號一起，實時計算其精確位置。

以上策略也讓RTX Fast可以實現2-50cm水平定位精度、5cm的垂直定位精度，同時快速模式下收斂時間優于1分鐘，而常規模式下收斂時間優于20分鐘。

（3）u-blox——PointPerfect服務

u-blox是車載衛星定位芯片和模組領域的出貨量霸主，其主機廠朋友遍布世界各地，其為瑞士的高福利立下了汗馬功勞。

PointPerfect是u-blox面向大眾應用推出的GNSS增強數據服務，可通過衛星信號或網絡向流動站廣播，并使流動站在短時間內實現優于10厘米的定位精度。

PointPerfect采用行業標準的SPARTN消息格式，輔以輕量級和安全的MQTT物聯網傳輸協議，使其成為一個實時高效、低帶寬、高性價比的解決方案，非常適合于大眾市場應用。

PointPerfect服務范圍覆蓋歐洲和美國大陸區域，包括距離海岸線12海里（約22公里）以內的區域。目前僅支持增強GPS（L1C/A，L2，L2C，L5）、Galileo（E1、E5a/b）和GLONASS（G1 C/A，G2 C/A）系統。

PointPerfect主要提供以下兩類產品。

（a）衛星軌道、衛星鐘差、硬件延遲偏差：其中衛星鐘差的更新間隔為5s，衛星軌道和硬件延遲的更新間隔為30s。

（b）大氣改正產品：包括VTEC模型、傾斜電離層延遲改正和天頂對流層延遲改正，其更新頻率同樣為30s。

在GNSS觀測數據無粗差、數據接收完整且有連續的改正數據且模糊度正確固定的情況下，PointPerfect在水平方向定位精度可以達到3-6 cm（95%置信區間）。而模糊度的初始化時間則會隨電離層活動而變化，一般小于30 s。

（4）QZSS——CLAS服務

準天頂衛星系統（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）是日本政府在2002年授權建立，2018年正式開始工作的一個區域增強衛星定位系統。

QZSS目前采用三顆傾斜地球同步軌道衛星（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）?和一顆地球同步軌道衛星（Geosynchronous Orbit，GEO）衛星組成。

由于日本國土位于中高緯度地區，這樣衛星星座設計使得在任意時刻能保證至少有1顆衛星能位于該國天頂方向（高度角大于60），所以被稱作準天頂衛星系統。

QZSS基于L6頻段上的L6D信號播發增強信息，實現PPP-RTK增強服務——CLAS（Centimeter Level Augmentation Service）。L6D增強信息可以通過兩種方式獲得，一是通過支持CLAS的接收機接收，二是可以在QZSS官方網站上下載事后的增強電文。

CLAS服務范圍為日本境內，在日本境內將服務分為12個網絡，服務范圍及12個網絡分布如圖2所示。

圖2 QZSS服務范圍及網絡分布

地面基準站網由日本境內的1300多個CORS中的212個組成，站點間的間隔約為60 km。這些基準站的主要作用是接收GNSS衛星的原始觀測數據并通過網絡發送至數據處理中心,數據處理中心通過網解得到衛星的軌道、鐘差、碼偏差、大氣等信息，并將這些數據注入衛星或通過通信網絡播發給用戶，用戶接收到這些改正信息后即可進行PPP-RTK定位。在進行數據播發時，電離層和對流層均以格網的形式播發。

目前CLAS服務僅支持GPS（L1C/A，L1C，L2P，L2C，L5）、Galileo（E1B，E5a）和QZSS（L1C/A，L1C，L2C，L5）系統，未來將支持GLONASS和BDS系統。

在所有被增強的衛星都用于PPP-RTK定位、沒有周跳的衛星數大于等于5、衛星截止高度角設為15度等條件滿足后，CLAS服務可達到的定位精度如表3所示。模糊度固定時間在95%置信區間一般小于等于60s。

表3 CLAS服務定位精度