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GNSS 多星定位原理及校正方式对比

2022-6-28 13:33:32 995 GNSS 卫星导航

0 No.1 前言具有全球导航定位能力的卫星导航定位系统称为全球卫星导航系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，简称为GNSS。泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。使用多星座 GNSS 接收器的优势在于：更好地提供定位、导航、定时 (PNT) 信号，提高准确性、完整性并改善应用的稳健性。但是，多星座接收器开发是一项复杂、耗时的工作，其中包括：优化L波段天线；设计射频 (RF) 前端；整合基带信号处理算法以获取、跟踪和应用各种 PNT 信号的修正；对应用的处理软件进行编码，以便从基带的每个通道提取 PNT 数据并使用这些信息实现系统功能。设计者还必须选择合适的天线并将其正确放置。设计者可以转向预制型 GNSS 模块和开发环境，快速有效地将定位功能集成到系统中。这种 GNSS 模块包括射频前端、基带处理和嵌入式固件，有些 GNSS 模块还包括天线。以便加快应用处理软件的开发。 No.2 什么是 GNSS 和 PNT？ GNSS 和 PNT 是密切相关的概念。GNSS 卫星是 PNT 信号的最常见来源。GNSS 卫星本质上是高度精确的同步时钟，不断广播其PNT 信息。GNSS 模块接收来自特定卫星的 PNT 信号并计算其与该卫星的距离。当接收器知道与至少四颗卫星的距离时，就可以估计其本身的位置。然而，位置估计的准确性受到各种误差源的影响，具体包括： •GNSS卫星中计时电路的时钟漂移 •预测 GNSS 卫星准确轨道位置的误差 •整个卫星设备相对于其他卫星的一般性能漂移，也就是所谓的卫星偏移 •信号在通过电离层和对流层时发生失真和延迟。 •多路径反射和接收器中的可变性能和漂移目前，设计者可以采用各种不同威廉希尔官方网站校正基于卫星和大气的 GNSS 误差。 No.3 提高 GNSS 性能把源自 GNSS 接收器的误差影响降至最低的最佳方法是：使用适合特定应用的成本和尺寸限制的最高性能接收器。但是，即使是高性能的接收器也不是完美的；在很大程度上其性能还可提升。了解这些校正方法非常重要，因为这些方法会带来不同的性能，而且有些 GNSS 模块不能使用所有的校正方法。有几种 GNSS 校正方法采用了地面参考基站（图 1）。实时运动学 (RTK) 和精密单点定位 (PPP) 是采用地面参考基站对 GNSS 进行校正的最成熟方法。近来又出现了 RTK-PPP 混合方法。图 1：GNSS 用户接收器可以从参考网络中获取大气、时钟和轨道误差信息，以提高定位精度。（图片来源：Septentrio） RTK 依靠单一基站或本地参考网络获得校正数据，可以消除大部分的 GNSS 误差。RTK 假定基站和接收器的位置很近——最多相距 40 公里或 25 英里，因此基站和接收器遇到的误差相同。后处理运动学 (PPK) 是 RTK 的一个变种威廉希尔官方网站，被广泛用于测绘，以获得高精度定位数据或厘米级精度。只有轨道和卫星时钟误差被用来进行 PPP 校正。这些误差是卫星特有的误差，与用户位置无关，这就限制了所需参考基站的数量。然而，PPP 没有考虑与大气有关的误差，因此相对于 RTK 来说精度较低。此外，PPP 校正的初始化时间可能达到 20 分钟左右。较长的初始化时间和较低的精度使 PPP 威廉希尔官方网站在许多应用中无法使用。对于那些要求接近 RTK 精度和快速初始化时间的应用来说，通常采用最新的 GNSS 校正服务，即 RTK-PPP（有时称为状态空间表示法 (SSR) ）。这种威廉希尔官方网站采用一个参考网络，其基站间隔约为 100 km（65 英里），收集 GNSS 数据并计算卫星和大气的综合校正值。参考网络使用互联网、卫星或移动电话网络向用户发送校正数据。使用 RTK-PPP 的 GNSS 接收器能够达到亚厘米级精度。在选择使用 RTK、PPP 和 RTK-PPP 校正方法时会涉及到一系列的设计权衡，开发者需要进行审核，以选出适合具体应用情况的最佳解决方案。（图 2）。图 2：三种常见 GNSS 校正方法的优缺点。卫星增强系统 (SBAS) 正开始在区域范围内得以运用，以取代 RTK、PPP 和 RTK-PPP 的地面基站校正方法。SBAS 仍然使用地面站来测量 GNSS 误差，但这些地面站分布在各个洲。测量的误差在某个中心位置进行处理，在那里计算出校正值并传送到所覆盖地区的地球同步卫星。校正数据从卫星上播出，作为原始 GNSS 数据的叠加或增加。 GNSS 的精度取决于卫星测量和相关校正值的可用性和精度。高性能 GNSS 接收器在多个频率下跟踪 GNSS 信号，并使用多个 GNSS 星座和各种校正方法来提供所需的精度和恢复能力。由此产生的冗余可使性能稳定，即使有些卫星测量和数据遇到干扰时也是如此。设计者可以从各种 GNSS 精度和冗余能力中进行选择（图 3）。图 3：GNSS 精度等级与相应的校正方法和选定的应用。 No.4 GNSS 模块：集成天线与外部天线由于多星座定位的复杂性，采用供应商提供的各种模块有助于加快产品上市，降低成本并确保性能。也就是说，设计者需要考虑使用内部天线还是选择位于 GNSS 模块外部的天线。对于那些需要优先考虑上市时间和成本的应用来说，集成天线可能是更好的选择，因为这种天线所涉及的工程量要小得多。对于需要 FCC 或 CE 认证的应用，使用带集成天线的模块也能加快认证过程。然而，这样会增加解决方案的尺寸，而且集成天线解决方案的灵活性有限。外部天线为设计者提供了更多的性能和布局选择。设计者可选择大型高性能天线或者较小的低性能天线。此外，相对于 GNSS 模块的位置，天线的放置更加灵活，这将进一步提高设计灵活性。由于放置灵活，因此外部天线可确保 GNSS 可靠工作。然而，天线放置和连接布线既复杂又耗时，需要特殊的专业知识，这可能会增加成本并延缓上市时间。 No.5 总结实现准确、可靠定位功能的最好方法是使用多个星座及相关的校正威廉希尔官方网站支持。这些都是复杂的系统，但设计者可以求助于预制型 GNSS 模块、相关的开发套件和环境，快速有效地比较各种选项并实施基于位置的功能和服务。 No.6 相关方案推荐基于NB-IoT 网络与车载 GPS+北斗电动车定位追踪器方案 GPS+BDS双模式定位追踪器方案 0
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