掌握精度:从 DGPS 到 PPK 的差分修正

2024 年 5 月 10 日

在日常生活中,独立的全球导航卫星系统(GNSS)的精度足以帮助人们找到方向,但许多应用需要更高的精度。目前已开发出许多技术,可将全球导航卫星系统的精度提高到 1 厘米以内,从而实现广泛的新应用。

要达到这样的精度,需要注意计算和定位结果所使用的参考框架,这一主题在《大地测量学和基准转换》中有所涉及,不在本文讨论范围之内。

 

全球导航卫星系统校正

提高 GNSS 精度有赖于纠正我们之前的文章《掌握精度》中描述的各种误差:GNSS 及其误差源。

有许多类型的校正可提供不同级别的覆盖范围和性能。主要修正类型详见下表。在本文中,我们将介绍最常见修正的基本知识:简要解释 DGNSS,然后深入解释 SBAS 和 RTK;并介绍 PPK 的优点。

series 中的下一篇文章更详细地介绍 Ionoshield和购买力平价的更多细节。

差分全球导航卫星系统(DGNSS)

传统的基于编码的 DGNSS 做了一个简单的假设:假设在小范围内卫星误差和当地大气误差相同。这样就可以使用一对全球定位系统接收器来消除大气(电离层和对流层)误差和卫星误差,从而提高导航性能。

在这种运行模式下,基站全球导航卫星系统接收器安装在距离漫游车全球导航卫星系统接收器运行范围几公里的范围内。基站使用射频或全球移动通信系统调制解调器向漫游车接收器传输一组校正数据。然后,漫游车接收器可以利用这些修正来计算差分位置(相对于基站)。

这种技术可将导航精度提高到亚米级,但现在已经过时,因为 RTK 已成为高精度定位的标准。

 

SBAS(卫星扩增系统)

开发 SBAS 是为了实现民用飞机的安全导航。此后,它被用于许多其他终端用户应用,这些应用需要比独立的全球导航卫星系统接收器更高的精度

 

SBAS 的概念是利用参考站网络来计算校正,从而提高大范围(大陆覆盖范围)的 GPS 性能。

然后,这些校正由专用的 SBAS 地球静止卫星广播。现代的全球导航卫星系统接收器可以直接通过常规的全球导航卫星系统天线跟踪这些校正,并将其用于定位引擎,例如精度为 1 米的 SBAS。

所有 SBAS 星群的主要目标都不是实现最高精度,而是使全球导航卫星系统能够实现预期应用(飞机导航和着陆)的最低精度,并增加完整性概念(精确测量位置误差)。

 

 

目前使用的 SBAS 系统包括

  • 用于北美洲国家的 WAAS 系统
  • 欧洲 EGNOS
  • 印度的加甘
  • 日本的 MSAS

然而,目前大多数 SBAS 只提供 GPS 卫星群的校正,因此在陆地导航方面并不理想。未来的 SBAS 解决方案(如 EGNOS V2)将提供多星座校正。

 

SBAS 背后的技术

各种 SBAS 解决方案使用相同的基础技术提供校正。它们为以下方面提供校正:

  • 卫星时钟误差
  • 卫星轨道偏差
  • 大气误差

SBAS 还提供卫星完整性信息,可用于拒绝接收来自故障卫星的数据。

利用基站网络计算大气校正,以提供大气误差模式。传输的误差值与大气层在特定点(称为 IGP(电离层网格点))上引入的垂直延迟相对应。然后,接收器就可以对来自每个卫星的不同信号的延迟进行校正。

 

利用 SBAS 提供的信息,接收器可纠正基于伪距测量的误差,将定位精度提高到水平方向约 1.2 米有效值和垂直方向约 1.6 米有效值。与独立的全球导航卫星系统相比,这是一项重大改进,尤其是在垂直部分。

 

实时运动学(RTK)和后处理运动学(PPK)

RTK 技术于 20 世纪 90 年代中期首次应用于制图学 。与传统的差分全球定位系统(DGPS)一样,RTK 依赖于精确定位的基站和漫游车 GNSS 接收器。

两个关键的计算步骤实现了厘米级的精确定位:

  • 双重差异
  • 载波相位测量和模糊修正

 

双重差异

DGPS 通常只使用单差和编码测量。另一方面,RTK 增加了相位测量并使用 "双差 "方法。在这种方法中,基准测量值从漫游者测量值中减去,所有导航卫星的测量值从一个枢轴卫星中减去。

这种方法可以补偿所有卫星引起的误差、接收机引起的误差以及假定基站附近恒定的大气误差。

大气误差
大气误差

 

 

由此计算得出

  • 漫游车在基站基准面上的位置(纬度/经度/纬度
  • 漫游时间

基站与漫游车之间的距离称为基线,是 RTK 的关键因素。随着基线的增加,误差预算也会略有增加,因为常见的大气误差和常见的卫星轨道误差并不能完全抵消。这就是 RTK 定位精度规格中典型的 "+1ppm"。

 

载波相位测量和模糊修正

我们在上一篇文章中介绍过载波相位测量,它可以将误差降低到厘米级。

载波相位测量的挑战在于其本身的模糊性(或不完整性)。测量中会缺失整数个载波相位周期。这部分缺失也被称为 "模糊性"。

实时运动学(RTK)定位过程首先要估计这些模糊度。这一过程也被称为 "RTK 浮点"模式。在这种模式下,模糊度会慢慢收敛,但不是整数值。这使得接收器能够平滑定位,并达到约分米级的精度。

为了达到最高的准确性和鲁棒性,下一步是实时识别每个模糊点的整数值。这一过程被称为整数歧义解析。

模糊解决的结果是最大限度地提高 RTK 精度,并提供更强的鲁棒性。这通常被称为 "RTK 固定"模式。

如果对某个卫星的相位跟踪中断,就会发生 "周期滑移 "事件,必须重新解决该卫星的整数模糊问题。因此,过多的周期滑移(尤其是所有卫星同时发生周期滑移)会对 RTK 性能产生负面影响。良好的天线和天线位置以及干净的射频环境对限制这些事件至关重要。

 

运动学后处理

正如我们所看到的,RTK 是 "实时 "应用这些校正,这意味着漫游车必须与基站有数据链路连接,以便在现场计算 RTK 处理。

有些应用不需要实时轨迹,但需要更高的精度或更简单的设置。后处理运动学(PPK)可以满足这些需求。利用 PPK,漫游车在数据采集过程中收集自己的原始 GNSS 数据,而不接收实时校正。之后,利用基站或参考站网络提供的精确信息对这些数据进行后处理。

PPK不依赖实时校正,因此在数据收集方面具有更大的灵活性。它通常用于难以进行实时通信或没有必要进行实时通信的场合,如航空测绘、无人机制图学 或科学研究。

PPK 在处理全球导航卫星系统时具有以下主要优势:

  • 改进野外工作流程:基于 RTK 的任务的主要成本是确保附近有基站、在需要时建立基站、确保可靠的数据连接等。Qinertia 有大量内置 CORS 网络,并可直接访问第三方网络。 这就消除了确保基站可用性和建立可靠数据连接的复杂性。
  • 改进质量控制:许多质量指标有助于评估处理过程的实际性能。这些指标包括高级统计、分离(前向和后向处理过程中计算出的位置/姿态之间的差异)以及全球导航卫星系统信号指标。
  • 全面提高性能:RTK 模糊性的解决可能需要一些时间(从几秒到几分钟不等,取决于到基站的距离和大气条件)。在采集开始时或在具有挑战性的 GNSS 条件下,这可能会很明显。PPK 通过向前和向后两个方向进行处理,最大限度地提高固定率,从而减轻这些影响。使用更先进的算法或使用精确的卫星星历表也可提高性能。

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