GNSS技术、全球卫星导航系统以及高精度定位技术     DATE: 2021-04-19 21:36

GNSS技术、全球卫星导航系统以及高精度定位技术
GPS导航技术最新进展
本文主要为对GNSS概念不太了解的同学所写,希望对GNSS技术有个初步的介绍。基本没怎么查资料,所以难免疏漏之处,见谅。

GNSS技术是指通过观测GNSS卫星获得坐标系内绝对定位坐标的测量技术。

GNSS是所有导航定位卫星的总称,凡是可以通过捕获跟踪其卫星信号实现定位的系统,均可纳入GNSS系统的范围。

GNSS主要构成是各个全球卫星导航系统。比如我们已非常熟悉的GPS卫星导航系统,以及中国的国之重器北斗卫星(BDS)导航系统。一定要搞清楚一个概念,北斗系统和GPS系统是同一个级别同一个层面的导航系统,没有说谁属于谁,都是使用相同的技术原理来实现导航定位的功能,确切来说都是实现定位、测速、授时的功能(PVT, Position、 Velocity、 Time)。

除了以上我们熟悉的导航系统,全球可使用的导航系统还包括俄罗斯的GLONASS(格洛纳斯)卫星导航系统,和GALILEO(伽利略)卫星导航系统。

除了全球可使用的导航系统,还有一些仅区域范围提供服务的区域导航系统,比如以前的北斗二代,其实质也是一个区域的导航系统。还有日本的准天顶系统(QZSS),印度的IRNSS系统,等。

像中国、美国、俄罗斯、欧盟财大气粗以及全球战略的考量,都要发展全球导航系统,自己的导弹飞到世界哪个地方都知道自己在哪。但对于一些国家,全球导航系统耗费过多,或者技术瓶颈限制,区域导航系统也是不错的选择。比如中国的北斗,虽然现在第三代都快建设完成,但第一代以及第二代也都是区域的系统。

除了区域导航系统,其实GNSS还包括增强系统。增强系统,看名字也能明白这种系统是前面几种的辅助以及增强。即现有的全球系统可能并不能满足一些场景的定位以及可靠性需求(主要是飞机着陆),所以我们又建立了增强系统。增强系统通过播发更精确更丰富的信息来提升我们对定位的各种需求。此类的增强系统有美国的WAAS、日本的MSAS、欧盟的EGNOS、印度的GAGAN等。

总结以上,GNSS主要包含全球卫星导航系统(GPS/BDS/GAL/GLO),区域导航系统(QZSS/IRNSS),以及增强系统(WAAS/MSAS/EGNOS/GAGAN)。

介绍完了GNSS卫星,那么我们利用GNSS卫星能得到什么信息?即GNSS技术的目标是啥?

我们主要是通过接收GNSS卫星播发的信号来实现 定位、测速、授时。

什么是定位?小学学的三维坐标系,我们可以用XYZ三坐标表示三维空间任意的一个位置。如果我们以地球质心作为我们的原点,原点与北极点的方向作为Z轴,原点与(赤道与格林尼治子午圈的交点)的方向为X轴,Y轴则垂直于这俩轴实现的坐标面,那么我们就实现了一个坐标系。则通过接收GNSS卫星的信息,我就可以知道你在这个坐标系中的XYZ坐标,如果知道另外一个点的XYZ坐标,我们就可以直接算出直线距离,或者进一步设计如何“导航”去另外一个点。这就是 定位 的价值,就是为了得到你在坐标系中的坐标。

测速 就是其字面意思,就是知道你在当前坐标系统中XYZ三分量的速度信息,有速度信息就可以知道你的朝向,也就是要往哪走。

第三个GNSS卫星的作用就是授时,授时的传统理解就是时间传递或者对时。比如以前手机没这么方便时,大家还都使用石英钟手表看时间时,大家都习惯晚上七点准时对着中央一套的报时,来校准你家的机械钟或者挂钟,这就是最简单的时间传递,这种时间传递的精度,秒的量级,对于日常生活已经足够。

但是全世界这么多表,如何将大家的时间都统一一起呢。以前的笨方法以及现在还在使用的方法就是,大家都把表放到一块,一块对比校准一下不就可以做到统一了嘛。但是全世界这么多设备,如何大家统一呢。像电视,就是时间传递的一种,其他的还有电话、电波授时等。但是此类的授时,精度都相对较低,但有些场景我们又要比较高的时间精度。比如两个摄像头拍摄的画面,如果每个摄像头同1s内拍摄了10000张图片,如果我们要将两个设备拍摄的图像拼接起来,那么两个设备的时间相差要在1/10000秒以下,这样我们才能对齐指定的画面。在我们传统的电力、移动通信等行业,有些时间的精度要在纳秒量级,也就是一亿分之一秒。

那么GNSS技术就可以实现高精度授时,精度可达到纳秒量级。GNSS技术为何可实现这么高的精度,这就涉及到了GNSS定位原理。一般来说,对于三维定位,一般只需要三颗卫星就可以实现定位,但是由于我们做不到让接收设备的时间与卫星的时间完全一致没有误差,所以需要多用一颗卫星,来计算接收设备时间与卫星时间的误差。这样我们就可以得到当前设备与GNSS卫星时间的差值,只需要将GNSS卫星的时间维护准确以及大家都对齐到GNSS卫星时间,这样就可以实现授时功能。

以上的仅依靠全球卫星导航系统或者区域导航系统,定位的精度基本在米量级,如果是手机在高楼旁边可能定位精度在几十米,使用导航地图时显示就在路边定位精度很高是因为使用了地图匹配技术,不单纯是卫星定位的结果。如果使用了以上列的增强系统,定位精度可达到分米量级。但是对于一些应用场景,精度依然不够。比如道路施工测量,依据设计好的图纸进行施工放样。一般需要厘米量级的定位精度,如何让定位精度从分米-米提升到厘米量级,这就引申出我们利用GNSS卫星进行高精度定位的相关技术。

我们需要使用其他的增强信息。既然仅使用GNSS卫星无法获取高精度的绝对的定位结果,那么是否能获取相对的高精度定位结果呢?即能不能得到相对于一个点的XYZ三个方向的相对差异,那么如果这个点的精确坐标已知,这样当前点坐标也就可以得到了。这就是实时相对定位技术,即RTK。RTK技术使用两个设备同时测量,就可以得到两个设备之间的相对位置信息,如果设备放在其中一个坐标已知的点上,那我就可以反算得到要测量的点。这个距离一般是有限制的,一般在十公里以内。同时还要两个设备之间通过自己架设的电台进行通信,才能完成信息交换实现相对定位。至少在小范围内通过在已知点上架设设备可以实现高精度的定位要求,虽然这个范围有点小,十几公里对于一般的测绘放样也可以满足需求。

如果我想大范围测量呢,以及每次都要架设两台设备,人力物力以及设备成本太高,给实际生产带来了诸多不方便。如果我每隔一段距离就架设一台设备,全国都架设完,就像现在的移动信号塔一样,通过网络链接来发送这些增强信息,不就可以实现全国范围内的高精度测量了吗?通过大量架设基准站是可以解决这个问题,但这样就会带来很大的成本。高精度测量并没有像移动通信那样大的需求量,需要在成本以及收入之间达到平衡,最好的方法就是增加基准站之间的距离。这就带来新的技术手段,即通过云端算法实现虚拟基站,也就是网络RTK技术,其实质也是向用户播发增强信息,首先获得相对位置,再反推出绝对位置得到高精度的定位结果。

虽然我们现在可以通过网络RTK技术,向用户播发差分信息,曲线救国实现了高精度定位,但是对于没有网络的地方怎么办。比如海上钻井平台的定位,远离海岸线没有网络信号,周围更没有基站提供差分信息,依靠网络RTK技术实时获得高精度定位已不可能。引申出另外一种技术,精密单点定位技术。精密单点定位技术实质也是需要另外的增强信息,其实和前面提到的增强系统基本类似。前面提到的增强系统,主要为飞机着陆服务,为了高可靠性,一般只使用伪距观测值。实现的技术原理基本相似,即通过卫星播发更精确的卫星轨道信息,卫星钟差信息以及其他的一些偏差信息来实现高精度的绝对定位。通过卫星播发的实时精密单点定位技术,可以在半小时内实现厘米量级的高精度定位,对于上海作业来说,该精度以及时间一般可以满足需求。

综合以上,由GNSS技术展开,一共介绍了三种GNSS卫星系统,第一是全球卫星导航系统,第二是区域卫星导航系统,第三是增强系统。

然后介绍了使用GNSS卫星的目的是定位测速授时,分别简单介绍了各自的用途。

最后GNSS技术高精度定位方面的几种技术:网络RTK和精密单点定位的一些基本概念和使用场景。