揭开GNSS高精度校正的神秘面纱

图1. GNSS参考网站布满全球各地

1.从各种GNSS 校正机制的简单比较开始

假设您的技术需要可靠、准确的全球定位结果。您做了一些研究并决定为自己购买一台多频 GPS/GNSS接收机。您订购了评估套件，但如何让您的接收机提供其承诺的高精度？GNSS 接收机依靠外部校正来补偿称为 GNSS 误差的各种缺陷，以尽快达到分米甚至厘米级精度。

2.纠正 GNSS 误差

基于 GNSS 的定位是使用一种方法计算的，由于 GNSS 卫星和地球大气层引起的一些误差，该方法本身的精度受到限制。GNSS 卫星本质上是围绕地球运行的高精度同步时钟，不断广播其定位和授时信息。GNSS 用户接收机从其中几个卫星的“飞行时钟”获取信号，并计算它与每颗卫星的距离。当接收机知道到至少四颗卫星的距离时，它就可以推断出自己的位置。但是，此位置的准确性会受到某些误差的影响。

图2. 需要校正 GNSS 卫星时钟和轨道误差，与其他误差才能实现高精度定位

即使是 GNSS 卫星上的高级原子时钟也会存在微小的漂移，从而导致时钟误差。GNSS 卫星在绕地球运行时会预测其移动轨迹。这些预测并不理想，这会导致所谓的轨道误差。此外，卫星设备会引入细小的信号误差，这些误差被建模为卫星偏置。除了卫星误差外，还有大气误差，这是由信号在穿过地球电离层（外层）和对流层（靠近地球表面的层）时经历的失真和延迟引起的。最后，接收机周围的本地环境以及接收机本身可能会引入误差。例如，卫星信号可以从接收机周围的建筑物和高层结构反射，这种现象称为多径，所形成的误差称谓多径效应。

GNSS 接收机无法自行校正卫星和大气误差，而是依赖于外部来源提供的数据。时钟和轨道误差取决于卫星的运营轨迹，这意味着它们在世界各地都是相同的。另一方面，大气误差取决于信号从卫星传播到用户时所采用的路径，因此会因接收机的地理位置而异。

为了克服卫星和大气误差，可以使用参考站，也称为基站。参考站是安装在固定地点且精确已知位置的 GNSS 接收机，用于估计 GNSS 误差，并以 GNSS 校正的形式将其发送给用户接收机（见下图）。参考网络由分布在某个区域内的互连参考接收机组成。

接收机侧的误差只能通过强大的接收机技术和谨慎的运作进行部分处理。根据应用的校正类型，可能需要几秒钟到几分钟的初始化时间才能达到高精度。

图3. 用户接收机获取相关数据，用于校正卫星和大气等误差

3.用于高精度定位的校正类型

直到最近几年，RTK 和 PPP 一直是向用户接收机提供 GNSS 校正的既定方法。如今，对高精度定位的需求正在上升，为混合 PPP-RTK 等新的定位技术铺平了道路。

（1）RTK – 实时动态最高级别的精度

在 RTK （Real Time Kinematic） 方法中，用户接收机从单个基站或本地参考站网络获取校正数据。然后，它使用这些数据来消除GNSS大部分误差。RTK 基于基站和用户接收机距离很近（最大相距 40 公里或 25 英里）的原理，因此“看到”相同的误差。例如，由于用户和参考站的电离层延迟相似，因此可以从解决方案中消除它们，从而提高精度。

在 RTK 方法中，为特定位置提供校正，而在 PPP 和 PPP-RTK 方法中，校正模型被广播到更大的区域，但精度略低。为了传输此校正模型，可以使用称为空间状态表达（SSR —Space State Representation） 的电文格式。业内对“SSR”一词存在一些混淆，因为它通常与较新的 PPP-RTK 方法相关联。但要小心，因为 “SSR” 有时也被用作指代传统 PPP 服务的流行词。

（2）PPP（精密单点定位） – 全球可访问且精准，但需要付出一定的（收敛）时间代价

PPP（精密单点定位）校正仅包含卫星时钟和轨道误差。由于这些误差是特定于卫星的，因此与用户的位置无关，因此全球只需要有限数量的参考站。由于 PPP 校正中不包括大气误差，因此使用此方法只能获得较低的精度水平，并且预计初始化收敛时间会更长，长达 20-30 分钟，这对于某些应用来说可能不切实际。PPP 传统用于海运业，如今已扩展到各种陆地应用，例如农业，作为获得全球 GNSS 校正的便捷方式。

（3）PPP-RTK，两全其美？

PPP-RTK（又名 SSR）是最新一代的 GNSS 校正服务，将接近 RTK 的精度和快速初始化时间与 PPP 的广播性质相结合。参考站网络大约每 150 公里（100 英里）有一个站点，用于收集 GNSS 数据并计算卫星和大气校正模型。如上所述，大气校正是区域性的，因此需要比 PPP 更密集的参考网络。然后，这些更正会通过互联网、卫星或电信服务广播给该地区的用户。订阅接收机可使用广播校正模型来推断其特定于位置的校正，从而获得亚分米级精度。北方公司（ Septentrio） 提供的校正不可知伙伴计划（Corrections Agnostic Partner Program ）允许用户使用可靠的 GNSS 接收机轻松连接到所选服务。该计划让你了解如何充分利用最新的校正服务，以及如何将它们集成到您的系统中。

4.比较三种 GNSS 校正方法

下表比较了三种校正方法，突出了它们的优缺点。这三种方法的基础设施密度和初始化时间因纠正的误差种类而异，请参见下图。PPP-RTK 和 PPP 的广播性质，以及它们需要的更轻的基础设施，使这些方法能够针对大众市场应用进行扩展。

一些 GNSS 接收机还集成了高级定位算法，以补偿接收机端的问题，例如应对多径效应、干扰和欺骗。这为高精度定位增加了可靠性和稳健性。

图4.由三种方法中的每一种校正的误差类型

5.获取 GNSS 校正

现代产业接收机通常通过订阅服务获得 GNSS 校正，该服务通过互联网（使用 NTRIP 协议）、卫星或 4G/5G 提供。如今，在汽车行业、自动化和智能消费设备的高精度要求的推动下，校正服务市场蓬勃发展。汽车供应商和许多其他新参与者正在部署基础设施，以在全球范围内设置厘米级定位服务。

PPP 和 PPP-RTK 校正甚至可以由 GNSS 卫星直接传输，例如来自北斗系统的精密单点定位服务（PPP），和 QZSS 星座的日本厘米定位增强服务（ CLAS） ，或来自伽利略的计划中的高精度服务 （HAS）。根据网络密度和误差建模的质量，可以实现不同的初始化时间和精度。这意味着定位质量可能因服务提供商而异。

图5. 用户接收机通常通过互联网、卫星或 4G/5G 提供的订阅服务获得 GNSS 校正

德国电信（Deutsche Telekom）以及日本软银（Softbank）和NTT等主要电信公司正在为其基础设施配备GNSS接收机，以实现新的校正服务。3GPP为移动电话（包括LTE、4G和5G）提供规范，现在在其移动协议中涵盖了GNSS卫星校正的广播。由于参考接收机正在成为电信塔等关键基础设施的一部分，因此它们必须具有高水平的安全性，以保护它们免受潜在的干扰或欺骗攻击。

6.哪些更正适合我？

适合您的技术校正服务将取决于您的位置和服务区域、您的精度和可靠性需求以及预算。由于校正市场不断扩大，集成商或 GNSS 制造商现在比以往任何时候都更需要协助您为您的工业应用选择最佳校正方法。如果您选择的 GNSS 接收机不会将您“锁定”到某个校正服务，您将可以自由选择最适合您的应用及其位置的校正方法。随着校正方法的不断发展，这种“非锁定”开放式接口接收机还为客户提供了灵活性，以便将来切换到另一种更有益的服务。

随着 GNSS 校正提供商的覆盖范围增加，未绑定到接收机的服务数量也在增加，将接收机锁定到特定校正服务的经典模型正在消退。这导致市场上提供了大量服务，在以下方面具有可变参数：

●精度：从厘米级精度 RTK 到亚分米级 PPP-RTK；

●覆盖范围：本地、大陆或全球更正访问；

●交付：允许接收者通过互联网或 L 波段卫星获得校正，但协议和格式因提供商而异；

●商业模式：预付费、按次付费、队列合同或接收机捆绑包等订阅费用各不相同，电信网络提供与其他增值服务捆绑的校正包。