GNSS增強定位技術發展與星地融合應用

引言：你能想象嗎？除了手機和汽車，現在連安全帽、道路錐筒，甚至跑鞋都需要定位。隨着移動物聯網的快速發展，國民經濟各個領域都對更高精度的定位能力產生迫切需求。同時，市場也要求這類服務變得更低成本、更加可靠。

今年一篇題爲《An equivalent transition SSR2OSR method between PPP-AR and RTK using RTCM-SSR》的論文，獲得第十屆衛星導航年會青年論文一等獎。這篇論文探討的正是在大衆市場對高精度定位應用需求不斷增強的前提下，低成本的精準定位技術如何發展變化。以下爲根據論文內容編譯的中文梗概版：

大衆需求驅動低成本技術不斷革新

低成本設備高精度定位應用背景

伴隨着全球導航衛星系統（GNSS）的發展，其應用範圍逐漸擴大，幾乎涉及了國民經濟的所有領域，包括與普通消費者相關的大衆市場。不同於傳統的測量測繪等行業市場應用，大衆市場的應用往往伴隨着更復雜的觀測環境，如多路徑干擾，頻繁周跳等，其GNSS數據處理策略一定程度上也決定了位置、速度、時間以及大氣延遲等信息的獲取頻率和精度。隨着大衆市場對高精度定位需求的增長，迫切要求低成本精密定位技術進行技術革新。現階段，單獨依賴GNSS設備本身的定位性能並不能滿足釐米級高精度定位和完好性的需求，需要各類增強系統（服務）提升其性能。

增強系統的類型有很多，例如差分系統、局域增強系統、地基增強系統、廣域增強系統、星基增強系統、傳感器增強系統等。從技術角度，增強服務可以分爲兩大類即觀測域（OSR）增強服務和狀態空間域（SSR）增強服務，其中，差分系統、局域增強系統和地基增強系統屬於觀測域增強服務，廣域增強系統和星基增強系統屬於狀態空間域增強服務，而傳感器增強實質上是一種間接的OSR增強服務。

在增強系統的建設方面，國際上的主要地基增強系統包括以國際導航衛星服務組織運營的全球IGS站點網爲代表的全球地基增強系統和以歐洲永久性連續運行網（EPN）爲代表的洲際地基增強系統。其中，IGS全稱爲International GNSS Service，自1994年成立以來一直爲各個行業提供公開的、高質量的GNSS數據產品，目前，IGS全球共有超過400個以上的永久連續運行GNSS基準站點，可實時採集包括GPS、GLONASS、Galileo、北斗、QZSS和SBAS信號。除IGS等國際組織以外，美國、日本、德國、英國、加拿大、澳大利亞等國也建立了各自的國家級地基增強系統，爲空間大氣環境監測、高精度定位、導航、地球框架維護等研究提供數據支持。在我國，千尋位置自2015年8月成立以來，建設完成了由遍佈全國的超過2200個地基增強站組成的「全國一張網」，在全國大部分地區，爲各類終端提供7×24小時高精度定位服務。

目前GNSS增強技術有哪些瓶頸？

當前，針對GNSS增強技術而言，網絡 RTK（Network Real-time Kinematic） 技術和PPP（Precise Point Positioning）技術最具有代表性。

網絡RTK技術在服務端利用載波差分技術原理，通過在區域內佈設一定範圍的基準站，利用基準站實時數據網絡求解基線模糊度，建立區域大氣誤差模型，基於用戶位置向用戶實時播發虛擬站的修正觀測信息OSR（Observation Space Representation），爲覆蓋範圍區域內的所有用戶提供穩定等精度的OSR增強服務。對於終端用戶，利用短基線RTK技術，消除如衛星軌道誤差、衛星鐘誤差、電離層延遲、對流層延遲等誤差項，實現載波模糊度的快速整數固定，實現釐米級高精度定位。網絡RTK技術大部分基於雙差觀測模型，隨着基線長度的增長，模糊度的固定成功率受大氣誤差影響明顯而逐漸降低，且需要建立用戶和數據中心的通訊鏈路，當用戶存在較大的距離變化時，存在播發主站切換的情況，造成模糊度結果出現變化。

NRTK定位技術

PPP技術1997年由J. F. Zumberge等人首次提出，使用單站觀測值即可實現毫米級高精度定位，Gerhard Wabbena提出了SSR模型處理方法。PPP技術在服務端主要利用全球或區域基準站點，對衛星軌道、鐘差、載波僞距偏差產品進行實時估計，並利用區域站點生成區域大氣增強信息，通過互聯網鏈路或衛星鏈路播發給終端用戶。對於終端用戶，接收實時高精度衛星精密產品、實現軌道、鐘差、載波僞距偏差等參數的高精度修正，單站實現高精度定位。總的來說，PPP技術的發展主要可歸納爲三個方向：

1）多頻多星座的發展，從單一的GPS雙頻到多頻多系統，從無電離層組合模型到非差非組合模型的逐漸演進過程，同時伴隨着包括如頻間偏差估計，多星座系統間偏差的處理等關鍵技術細節的處理，發掘觀測誤差本身的溯源，終端利用多星座多頻段數據提供更多冗餘觀測值，以期解決如多路徑效應，收斂時間等問題；

2）非差整數模糊度固定技術的發展，用於提高PPP的定位精度和收斂時間穩定性方面，相關代表性學者論文包括UPD估計和PPP-AR方法、去耦合鍾方法、整數相位種等，旨在恢復非差模糊度的整數特性本質，通過在服務端分離/融合模糊度小數部分，實現終端的非差模糊度達到雙差模糊度固定的效果；

3）大氣產品的生成和使用，用於減少初始PPP收斂時間及避免PPP中斷重收斂，服務端利用區域站點實時生成大氣增強產品，利用先驗大氣增加觀測方程數量，減少PPP模型本身的病態特徵。當前階段，PPP技術由於其觀測模型秩虧問題，仍然需要長時間的收斂時間，且要求用戶需採用與服務端相一致的誤差模型，計算較爲複雜，在低成本設備的定位應用上，受限於低成本設備的觀測數據質量，頻繁的周跳及更爲嚴重的多路徑干擾使得低成本定位的連續性和可靠性仍存在一定的瓶頸。

PPP定位技術

千尋位置的探索：星地融合增強算法

2018年5月16日，千尋位置正式發佈了天音計劃——「星地一體高精度時空服務」。利用國家北斗地基增強系統「全國一張網」及千尋位置的海外地基增強站點，實現基於地球同步軌道衛星和互聯網的雙路GNSS的SSR改正參數播發，爲用戶提供高精度、高可靠、實時無縫的高精度時空服務，用於滿足智能物聯網時代對於無縫、連續、安全可靠的精準定位和複雜時間協同的需求，以發揮GNSS定位增強在自動駕駛、無人機等涉及用戶人身和生產安全的應用場景中的重要價值，賦能全球智能物聯網應用產業生態。

星地融合增強算法採用NRTK和PPP技術融合處理方法，利用星基SSR信息，可實現在終端或服務端等價變換爲常規RTK用戶可使用的OSR觀測信息，終端用戶採用常規RTK模式即可實現高精度定位，避免終端和服務端非差誤差模型不統一造成的計算誤差，減低終端計算量負荷；與此同時，由於轉換得到的OSR觀測值具有統一的模糊度基準，因此，在主站切換及衛星失鎖等條件下無周跳產生，並在無網絡場景下，支持RTK模式平滑切換到PPP模式，滿足一些特殊場景的連續性定位要求。

星地融合定位技術發展

基於星地融合技術，高精定位效果更佳

實驗測試採用一組基於高速開闊環境的低成本GNSS數據車載動態實測數據，全程約50km，並利用RTK+INS作爲定位結果基準真值，驗證採用基於千尋位置SSR星基增強信息的星地融合算法的定位固定效果和精度差異。其中綠色爲車載運動軌跡，藍色爲周邊千尋位置基準站點位置，紅色爲對應時段生成的虛擬觀測站位置。

車載運動軌跡

路測數據利用千尋位置SSR星基增強信息共生成4個網格點位置OSR0~0SR3數據，終端算法採用千尋位置自研車載終端RTK定位算法，全程採用單GPS系統定位，以後處理PPK+INS結果作爲座標真值基準。

全程車載定位精度結果：紅色爲三維定位誤差，綠色爲平面誤差定位結果。

上圖顯示的數據結果中，基於千尋位置SSR星基增強信息可實現傳統RTK終端的實時高精度定位，開闊環境可保證平面精度優於5cm，全程精度統計結果見下圖。

星地融合算法在車載RTK終端的精度和固定率統計

圖片中的數據結果驗證了採用SSR信息及星地融合算法可得到車載全程數據固定率優於99%，CEP99三維誤差優於0.11米，且模糊度基準統一，在主站切換的跨網時刻模糊度無需進行重新估計解算。

車載RTK算法終端模糊度結果：跨網OSR0到OSR1時刻模糊度不變

結 論

千尋位置利用遍佈全國的北斗地基增強站的國家北斗地基增強系統和全球海外地基增強站點，現階段已實現了基於NRTK技術的實時高密度大區域網格的參考服務（Realtime Ultra-Dense Mega Spatial Grid Reference services，RUMSGR）以及基於PPP技術的SSR改正參數穩定播發，爲低成本設備的高精度定位應用提供平臺應用基礎。

基於星地融合方法的技術創新爲高精度定位提供了新的技術理論參考，實現將用戶端的PPP解算模式轉換成等效的RTK解算模式，達到等同於網絡RTK的定位效果，以滿足大衆市場對終端設備的低成本，高可靠性，快速收斂等複雜場景的定位需要。

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