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            一文讀懂GNSS技術

            2020-7-24 10:05| 發布者: 煉數成金_小數| 查看: 60250| 評論: 0|來自: 鮮棗課堂

            摘要: 2020年6月23日9點43分,我國在西昌衛星發射中心成功發射了北斗系統第五十五顆導航衛星,也是北斗三號的最后一顆全球組網衛星。至此,北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成。新聞出來之后,國人為之振奮,紛紛點 ...
            2020年6月23日9點43分,我國在西昌衛星發射中心成功發射了北斗系統第五十五顆導航衛星,也是北斗三號的最后一顆全球組網衛星。至此,北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成。


            新聞出來之后,國人為之振奮,紛紛點贊轉發。社會各界對衛星定位產業的關注度,也沖上了新高。

            那么,像北斗這樣的衛星系統,究竟是如何實現定位的呢?為了實現更好的定位效果,它引入了哪些關鍵技術?衛星定位產業的發展,正在進入怎樣的階段?

            今天這篇文章,我們就來聊聊衛星定位系統的那些事兒。

            什么是GNSS   
            首先,我們要知道,北斗和大家更為熟悉的GPS,都屬于全球導航衛星系統,也就是GNSS(Global Navigation Satellite System)。


            北斗是我們中國自主研發和建設的GNSS系統。而GPS,是美國的GNSS系統,也是全球最早的GNSS系統(開始于1973年,1995年全面投入運行)。

            同樣具備全球覆蓋能力的GNSS系統,還包括俄羅斯的GLONASS和歐洲的Galileo。

            除了全球性的衛星系統之外,GNSS還包括一些區域性的系統(例如日本的準天頂系統QZSS和印度的IRNSS),以及增強系統(例如美國的WAAS、日本的MSAS和歐盟的EGNOS等)。增強系統,是基于全球或區域系統的輔助系統,可以滿足更多場景需求。

            GNSS的類別

            GNSS的作用是定位和導航。準確來說,它還有一個普通人不太注意的功能,那就是授時。

            學術上對GNSS的定義是這么說的:

            全球導航衛星系統,是能在地球表面或近地空間的任何地點,為用戶提供全天候的三維坐標、速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統。

            看明白了吧,三維坐標、速度、時間信息,是GNSS的必備功能。這三個信息,我們通常稱之為PVT(Position Velocity and Time)。

            值得一提的是,咱們國家的北斗系統還有一個獨特的功能,那就是短報文(也就是文字信息)。在關鍵時候,這個功能可以發揮很大的作用。

            GNSS的工作原理   
            那么,GNSS是如何幫助用戶獲取PVT信息的呢?

            我們來做一個非常簡單的立體幾何數學題。

            眾所周知,地球表面的任何一個位置,都有它的三維坐標,也就是經度、緯度和高程。它頭頂上的GNSS衛星,也有自己的三維坐標。

            那么,我們把整個空間看成一個坐標系,可以畫一個立方體。立方體的兩個對角,分別是用戶和衛星,如下:


            根據中學立體幾何的知識,我們可以知道,衛星和用戶之間的距離△L(這個距離也被稱為“偽距”),是:


            衛星的坐標是(x’,y’,z’),這是已知的。用戶的坐標是(x,y,z),這是未知的。

            與此同時,衛星可以給用戶終端發信號,信號的傳輸速度基本上幾乎等同于光速c。而衛星上面有精度極高的原子鐘,所以知道自己的時間是t。假設用戶終端的時間是t’,那么,衛星和用戶之間的距離△L,又可以通過下面這個公式算出:


            兩個公式一合并,就變成了:


            一個公式里有4個未知數(x,y,z,t),大家都懂的,這個公式是解不出來滴。

            怎么才能解出來?再列三個公式唄。

            也就是說,再找3個衛星的坐標值,組成4個四元方程,就OK了。

            這就是為什么,一個用戶終端要想解算出自己的準確位置,必須要有至少4顆衛星。

            很簡單的數學知識,不難理解吧?

            GNSS的關鍵技術   
            雖然GNSS的工作原理看似簡單,但真正想要把這個系統做好,是非常困難的。

            衡量一個GNSS系統是否足夠優秀,主要看它的精度、速度和靈敏度。這個速度,主要是指從啟動定位設備到首次正常定位所需的時間,也稱為TTFF(Time to First Fix)。


            影響GNSS定位精度的主要原因,是誤差。誤差既來自系統的內部,也來自外部。例如穿透電離層和對流層時產生的誤差,還有衛星高速移動產生的多普勒效應引起的誤差,以及多徑效應誤差、通道誤差、衛星鐘誤差、星歷誤差、內部噪聲誤差等等。

            這些誤差,有些是可以完全消除的,也有些是無法消除或只能部分消除的。消除水平的高低,直接決定了系統的準確性和可靠性。

            為了更好地消除誤差、提高反應速度,GNSS會引入一些天基或陸基的輔助手段。結合輔助手段的GNSS,也被稱為A-GNSS。A就是Assisted,“輔助”的意思。

            現在比較常用的,是通過陸基的移動通信網絡,傳送增強改正數據,提供輔助信息,加強和加快衛星導航信號的搜索跟蹤性能和速度,縮短定位時間,提高定位精度。

            A-GNSS系統架構

            除了A-GNSS之外,GNSS還引入了一些關鍵技術,幫助提升系統性能。

            首先是RTK技術。

            RTK(Real-time kinematic),稱為實時動態差分法,又稱為載波相位差分技術,是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法,包括傳統RTK和網絡RTK。

            傳統RTK模式,只有一個基準站。網絡RTK模式,有多個基準站。


            以網絡RTK為例,多個基準站會采集監測數據發給控制中心,控制中心針對數據進行粗差剔除后,再進行解算,并最終將改正信息發給用戶。

            網絡RTK的覆蓋范圍很快,可以距離用戶上百公里。而且,網絡RTK擁有更高的精度和穩定性。

            然后是慣性導航技術。

            GNSS衛星定位雖然方便,但容易受客觀條件的影響。例如隧道、森林等路段,GNSS信號容易中斷。此時,就需要臨時采用其它的輔助手段。


            航位推算(DR,Dead Reckoning),就是一種自主式的慣性導航技術。通過采用加速度傳感器和陀螺儀傳感器,結合一些專用算法,它可以根據用戶終端(例如車輛)的初始位置信息以及傳感器獲得的信息,推算出用戶終端在盲區位置的高精度導航數據。

            DR和GNSS有很強的互補性,一方面DR可以幫助補盲,另一方面GNSS也能對DR進行實時糾偏,幫助DR推測出更準確的位置。

            此外,就是雙頻技術。

            所謂雙頻,很好理解,就是GNSS模組同時支持多個不同GNSS系統的不同頻段,以此增強信號的接收能力。


            四大導航系統工作頻率表

            GNSS的應用場景   
            在眾多黑科技的加持下,GNSS系統目前已經具備極高的響應速度和定位精度,也有非?煽康姆定性。行業主流GNSS模組的TTFF速度目前已經提升為秒級,定位精度也從十米級、米級提升為亞米級、分米級甚至厘米級。

            這些指標已經完全能夠滿足大部分的行業應用需求。例如交通、水利、減災、海事、勘探、建筑等領域,現在都在大量使用GNSS模組。

            上述場景中,應用更為廣泛且最值得關注的,是車載GNSS模組的應用。


            隨著“萬物互聯”時代的到來,車聯網作為核心應用,正在進入爆發期。

            雖然我們總是強調5G對車聯網的重要意義,但不可忽視的是,GNSS定位導航服務,同樣是車聯網發展的必備條件。

            試想一下,如果沒有高性能GNSS車載模組的支持,車輛連自己的準確位置信息都不知道,可以說是寸步難行。


            GNSS車載模組能夠為自動駕駛、遠程駕駛提供了可靠的定位、導航和測距數據來源,是ADAS(高級駕駛輔助系統)不可或缺的組成部分。

            除了保障正常駕駛之外,GNSS車載模組還可以用于車輛防盜、緊急救援、集群調度、車隊管理等應用需求。

            對于企業來說,車輛是重要的運營資產。車輛的位置信息,是重要的管理數據。

            GNSS車載模組可以幫助企業掌握實時數據,跟蹤車輛位置,更有效地管理這些資產。對于一些特種車輛,例如危險品運輸車,GNSS車載模組的重要性更是不言而喻。

            目前,物聯網模組行業龍頭移遠通信已有多款車規級GNSS車載模組投入市場,包括LG69T/L26-DR/L26-T/L26-P等多個型號產品,均取得了不錯的反響。


            移遠通信車規級雙頻高精度定位模組LG69T,支持RTK和DR技術,在大型整車廠及Tier 1客戶中備受青睞。該模組嚴格按照IATF 16949:2016汽車行業質量管理體系標準而制造,其關鍵器件符合AEC-Q100標準要求,可同時接收多個GNSS衛星信號,并在數秒內收斂到厘米級定位精度——在開闊環境下,可以輸出精度5厘米的定位數據。即使在諸如城市峽谷等復雜環境中,LG69T也可實現亞米級精度,全面提升定位性能。據悉,LG69T有望最早在2021年量產的車型中投入使用。

            移遠通信L26-DR支持DR慣性導航技術,集成了6軸傳感器和GNSS算法引擎,具備出色的融合定位性能,可在隧道等無GNSS信號環境下實現1-2米定位精度,為追蹤器、T-Box、車載導航、車隊管理、物流信息管理等等汽車、工業和消費類應用提供了理想選擇。

            結 語   
            經過數十年的發展,GNSS系統從當初的GPS一家獨大,到現在變成GPS、北斗、GLONASS、伽利略等多系統共存,可以說是取得了長足的進步。如今的GNSS系統,已經具備提供全方位、全天候、高精度、高速率定位導航服務的能力。

            GNSS變成了重要的國家級數字化基礎設施,對推動數字經濟發展有重要意義。圍繞GNSS,目前已經衍生出了一系列具有增值潛力的服務場景。越來越多的公司企業,正在加入GNSS的上下游產業鏈。

            GNSS,未來可期!

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