自动驾驶TPM技术杂谈 ———— 卫星定位技术
文章目录
-
介绍
-
定位原理
-
- 坐标系统和时间系统
- 定位原理
-
数据误差
-
差分GNSS定位技术
-
- 位置差分
- 伪距差分
- 载波相位差分
-
- 常规RTK
- 网络RTK
介绍
卫星导航定位系统是星基无线电导航系统，以人造地球卫星作为导航台，为全球海陆空的各类军民载体提供位置、速度和时间信息。卫星导航系统包括全球四大导航卫星系统，也还有区域系统和增强系统。四大系统分别为：
1. 美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）；
2. 俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）;
3. 中国的北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System，BDS）；
4. 欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Satellite Navigation System，GALILEO）。
区域卫星导航系统包括：
1. 日本的准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）；
2. 印度的区域导航卫星系统（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS）。
星基增强系统包括：
1. 美国的WAAS(Wide Area Augmentation System)
2. 俄罗斯的SDCM（System for Differential Corrections and Monitoring）
3. 日本的MSAS（Multi-functional Satellite Augmentation System）
4. 欧洲的EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service）
5. 印度的GAGA（GPS Aided Geo Augmentation Navigation）
地基增强系统主要是我国的北斗地基增强系统，用于增强北斗卫星导航系统的定位精度和完好性。
定位原理
实现GNSS定位，需要解决两个问题：一是观测瞬间卫星的空间位置，而是观测站点和卫星之间的距离，及卫星在某坐标系中的坐标。为此需要先建立释放的坐标系来表征卫星的参考位置，而坐标又与时间联系在一起，因此，GNSS定位是基于坐标系统和时间展开的。
坐标系统和时间系统
卫星导航系统中，坐标系用于描述与研究卫星在其轨道上的运动、表达地面观测站的位置以及处理定位观测数据。根据不同场合应选择不同的坐标系。坐标系大致分为以下几类：
1. 地理坐标系
2. 惯性坐标系
3. 地球坐标系
4. 地心坐标系
5. 参心坐标系
国内常用的坐标系有：
1. 1954年北京54坐标系（Beijing 54 Coordinate System，P54）
2. 1980年国家大地坐标系（National Geodetic Coordinate System 1980，C80）
3. 1984年世界大地坐标系（World Geodetic System-1984 Coordinate System，WGS-84）
4. 2000年国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）
时间系统在卫星导航中是最重要、最基本的物理量之一。首先，高精度的原子钟控制卫星发送的所有信号。其次，距离的测量都是通过精确测定信号传播的时间来实现的。时间系统主要包括世界时、历书时、力学时、原子时、协调世界时、儒略日、卫星导航时间系统。
定位原理
GNSS的设计思想是将空间的人造卫星作为参照点，确定一个物体的空间位置。根据几何学理论可以证明，通过精确测量地球上某一个点到三颗人造卫星之间的距离，能对此点的位置进行三角形的测定，这就是GNSS的最基本的设计思路和定位功能。从GNSS进行定位的基本原理来看，GNSS的实质是测量学的空间后方交会。由于GNSS采用单程测距，且难以保障卫星钟与用户接收钟的严格同步，因此会产生钟差。卫星钟差可以用导航电文中所给的有关钟差参数进行修正，而接收机的钟差大多难以精准确定，通常采用的优化做法是将其作为一个未知参数，与观测站的坐标一并求解。即在一个观测站上需要求解4个未知参数（3个点位坐标分量和一个钟差参数），因此至少需要4个同步伪距观测值，也就是为什么定位至少需要4个卫星了。
数据误差
卫星导航系统的误差从来源上可以分为4类：
1. 信号传播相关的误差：主要包括电离层延迟误差、对流层延迟误差以及多径效应误差等。
2. 卫星有关的误差：主要包括卫星星历误差、卫星时钟误差、相对论效应等。
3. 接收机有关的误差：接收机时钟误差、位置误差和天线相位中心位置偏差等。
4. 地球转动有关的误差：地球潮汐、地球自转等。
误差分类如下表所示。
| 卫星导航系统误差 | |||
|---|---|---|---|
| 误差来源 | 对测距的影响/m | ||
| 信号传播有关的误差 | 电离层延迟误差 | 1.5~15.0 | |
| 对流层延迟误差 | |||
| 多径效应误差 | |||
| 卫星有关的误差 | 卫星星历误差 | 1.5~15.0 | |
| 卫星时钟误差 | |||
| 相对论效应 | |||
| 接收机有关的误差 | 接收机时钟误差 | 1.5~5.0 | |
| 位置误差 | |||
| 天线相位中心位置的偏差 | |||
| 地球转动有关的误差 | 地球潮汐 | 1 | |
| 地球自转 |
差分GNSS定位技术
为解决上文提到的误差，差分GNSS定位技术应运而生。差分GNSS可以有效利用已知位置的基准站将公共误差估算出来，通过相关的补偿算法削弱或消除部分误差，从而提高定位精度。差分GNSS的基本原理主要是在一定地域范围内设置一台或多台接收机，将一台一直精密坐标的接收机作为差分基准站。差分基准站连续接收GNSS信号，与基准站已知位置和距离数据进行比较，从而得到差分校正量。然后，基准站会将此差分校正量发送到其范围内流动站进行数据修正，从而减少甚至消除卫星时钟误差、卫星星历误差、电流层延迟误差和对流层延迟误差。流动站与差分基准站的距离直接影响差分GNSS的效果，流动站与基准站的距离越近，两战点之间的测量误差的相关性就越好，差分GNSS系统的表现也更好。根据差分校正的目标参量的不同，差分GNSS主要分为位置差分、伪距差分和载波相位差分。
位置差分
&ermsp;位置差分系统如下所示。通过在已知坐标点的基准站上安装GNSS接收机来对4颗及以上的卫星进行实时观测，便可以进行定位，得到当前基准站的坐标测量值。实际上由于误差的存在，通过GNSS接收机接收的消息解算出来的坐标与基准站的已知坐标是不同的。然后将坐标测量值与基准站实际坐标值的差值作为差分校正量。基准站通过数据链路将所得的差分校正量发送给流动站，流动站利用接收到的差分校正量与自身GNSS接收机接收到的测量值进行坐标修改。位置差分是一种简单的差分方法，其传输的差分改正数少，计算简单，并且任一种GNSS接收机均可改装和组成这种差分系统。但由于流动站和基准站必须使用同一组卫星，因此位置差分法的应用范围收到距离上的限制，通常流动站与基准站之间的距离不超过100km。
伪距差分
伪距差分技术的原理如下图。伪距差分技术是在一定范围内定位区域内，设置一个或多个安装GNSS接收机的已知点作为基准站，连续跟踪、观测所有在信号接收范围内的GNSSS卫星伪距，通过在基准站上利用已知坐标求出卫星到基准站的真实几何距离，并将其与观测所得的伪距比较，通过滤波器对此差值进行滤波并获得伪距修正值。接下来，基准站将所有的伪距修正值发送给流动站，流动站利用这些误差值来改正GNSS卫星传输测量伪距。最后，用户利用修正后的伪距进行定位。
载波相位差分
位置差分技术和伪距差分技术基本满足定位导航的定位精度要求，但是面向自动驾驶，还是需要更高精度的载波相位差分技术。载波相位差分技术的方法有修正法和差分法。修正法与伪距差分相似，差分法是将基准站观测的载波相位测量值发送给流动站，使其自身求出差分修正量，从而实现差分定位。载波相位差分技术实际上是实时处理两个测站的载波相位。载波相位差分技术中的基准站不是传输GNSS测量的差分校正量，而是发送GNSS的测量原始值。
在使用载波差分法进行相位测量时，每一个相位的观测值都包含有无法直接观测载波的额未知整周期数，称为相位整周模糊度。如何正确确定相位整周模糊度是载波相位测量求解中最重要的。求解相位整周模糊度分为初始化方法和五初始化方法。初始化方法要求具有初始化过程，即对流动站进行一定时间的固定观测，一般需要15分钟，利用静态相对测量软件进行求解，得到每颗卫星的相位整周模糊度并固定此值。无初始化方法虽然称为无初始化，但实际上仍然需要一定的初始化时间，只是比初始化方法时间短。无初始化方法的初始化一般为3~5分钟，随后快速求解相位整周模糊度。两种方法均存在初始化过程，且完成初始化后必须保持卫星信号不失锁，否则需要重新回到起算点进行捕捉和锁定。RTK是一种李庸接收机实时观测卫星信号载波相位的技术，结合了数据通信技术与卫星定位技术，采用实时解算和处理处理的方式，能够实现为流动站提供在指定坐标系下的实时三维坐标点，在极短的时间内实现高精度的位置定位。常用的RTK定位技术分为常规RTK和网络RTK。
常规RTK
常规RTK定位技术是一种基于GNSS高精度载波相位观测值的实时动态差分定位技术，也可以用于快速静态定位。采用常规RTK进行定位时，除需配备基准站接收机和流动站接收机外，还需要数据通信设备。基准站通过数据链路将获取到的载波相位观测值及站坐标实时播发给其周围工作的动态用户。流动站数据处理模块则通过动态差分定位的方式，确定流动站相对于基准站的位置，并根据基准站的坐标得到自身的瞬时绝对位置。
常规RTK定位技术虽然可以满足很多应用的要求，但流动站与基准站的距离不能过远。当距离＞50km时，定位的精度只能达到分米级，无法满足自动驾驶对定位精度的要求。
网络RTK
网络RTK也称多基站RTK，网络RTK属于实时载波相位双差定位，是一种基于常规RTK和差分GNSS技术等发展起来的实时动态定位技术。网络RTK是指在某一个区域内由若干个固定的、连续的GNSS基准站形成一个基准站网络，对区域内全方位覆盖，并以这些基准站中一个或多个为基准，为该地区内的GNSS用户实现实时、高精度定位提供GNSS误差改正信息。网络RTK覆盖范围更广，作业成本更低，定位精度更高，用户初始化时间更短。
网络RTK系统组成如下图所示，主要包括固定地基准站网络、负责数据处理的控制中心部分、数据播发中心、数据链路和用户站。每个基准站都配置了双频全波长GNSS接收机、数据通信设备和气象仪器等。通过长时间GNSS静态相对定位等方法可以精确的到基准站的坐标，基准站GNSS接收站按一定采样率进行连续观测，通过数据链路将观测数据实时传送给数据处理中心，数据处理中心将首先对各个基准站的数据进行预处理和质量分析，然后对整个基准站网络进行统一解算，实时估计出网内各种系统误差的改正项，并建立误差模型。
根据不同的通信方式，网络RTK可分为单向数据通信和双向数据通信。单向数据通信中，数据处理中心直接通过数据播发设备把误差参数广播出去，用户收到这些误差改正参数后，根据自己的坐标和响应的误差改正模型计算出误差改正数，从而进行高精度定位。双向数据通信中，数据处理中心对流动站的服务请求进行实时侦听，并接收来自流动站的近似坐标，根据流动站的近似坐标和误差模型，求出流动站处的误差后，直接将改正数或者虚拟观测值播发给用户。基准站与数据处理中心间的数据通信可采用无线通信等方式进行。