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GNSS高精度大众化应用在打PPP主意吗?

添加时间:2018-09-11 来源:斗室智库/环球新时空信息技术研 作者:斗室智库/环球新时空
  GPS与生俱来就有标准定位服务(SPS)和精密定位服务(PPS)之分。而且形成了经纬分明的市场,主要表现是在单频和双频,或者多频接收机之分。前者已经在各类车辆和智能手机领域形成庞大市场,而后者只是个小众市场。GPS就是整个GNSS市场的缩影。从终端的规模而言,高精度专业市场仅仅占GNSS终端总量的不足0.5%。这个局面可能很快会改变,出路在高精度大众化应用。
 
  米级定位精度对于许多应用,或者说是大多数应用来说已经足够。但是,GNSS有很多用途,例如机械控制、监测调查和其他一些科学研究任务,往往需要其定位精度优于10厘米,甚至1厘米。单独的伪距码定位无法获得这种水平的精度,高精度实现一定需要使用载波相位测量,这种测量比伪距码测量精确得多,但是它们存在整周模糊度问题,因此必须实现这种模糊度的估计,才可能解析出正确的相位整周数值,因此往往需要用时间去换精度。
 
  传统的相位测量(通常为双频),一般是由移动的用户接收机与作为参考接收机测的相位数据,进行组合运算,才能获得非常精准的位置。如果利用某种无线电电路,实时将参考接收机的数据实时传送给移动接收机,完成数据计算,这种计算称为实时动态测量,或者称为RTK。RTK定位的缺点,是必须要有参考站这样的基础设施,还包括无线电数据链(例如移动电话通信),以获得实时结果。还有另外方式可以实现载波相位定位吗?这就是PPP。PPP是在初始化的伪距码测量基础上,使用更为精确的相位测量。在这种情况下,至少使用了用户接收机的两个频率的载波相位测量,结合来自于全球网络提供的精密卫星轨道和时钟数据,其最终水平定位精度将为10厘米,或更好的。
 
  差不多在十年前,有人就提出PPP的性能最优化及其局限性。最主要的问题是其初始化时间太长,往往要数十分钟。而且,在缩短初始化时间方面的研究开发结果进展一直不大。近期,传统PPP的初始化收敛时间的问题上,在多方面实现某些突破。这就是:一是从GNSS多个星座的测量进行整合,实现了从GPS PPP到GNSS PPP的过渡;二是在PPP用户算法中解决载波相位模糊度问题,着力提高位置精度和解决稳定性,但最重要的是努力减少初始收敛时间周期;三是利用先验信息来减少初始收敛时间周期和再收敛周期,并提高解的稳定性,尽可能利用可用的GNSS误差建模方法;四是通过PPP的多种多样的增强,来缩短初始化周期的同时,探讨用多星座单频,或者低成本双频,利用智能手机这样的终端,通过高精度算法实现PPP方法所能够取得的结果和工作稳定性。
 
  GNSS测量处理的PPP方法,其设计的初衷是通过消除对网络基线处理的需求,大大减少在大型的大地测量接收机网的计算负担。该技术已经开发应用于大地基础设施稀少,包括缺少GNSS参考站的地区,或者区域的许多应用。关系PPP特征应用,涉及应用精密定位的单接收机,和各种各样的附加增强,可以消除,或者减少求解的初始化和重新初始化时间,达到接近类似RTK级别的水平。
 
  但是,PPP到底是什么?这个问题可以从多个角度来解决。从理论的角度来看,推动力来自于性能最大化,这就是在多个小时内达到毫米级的静态定位,和在几分钟之间实现几厘米级的动态定位。由此可见,以任何方式来增强PPP是必要的。毫无疑问,视在的单接收机定位,或真正的广域增强,从性能最大化的科学解释来说,均不需要本地,或者区域参考站。就工程问题来看,我们可以以少求多,即用超低价硬件实现分米级定位,或者以低成本硬件实现厘米级定位。而从实践或者商业运作来看,极大的兴趣是对演进的PPP方法实现有效和高效应用,将该技术真正用起来。
 
  在服务提供者而言,无论是全球性或区域性,公众或商业,具有明显的驱动力以提供增强的改正产品,但是由星座拥有者跟踪至区域与地面增强的整个服务谱系的线条是模糊的。全球商务提供者,无论有没有区域增强,都可以提供类似的服务。关键是提供多星座GNSS状态的空间改正数,包括卫星轨道、卫星时钟、卫星设备时延(相位分数偏差)、天顶电离层时延、天顶对流层时延,而且在合理的成本范围和所需的定位性能条件下,给用户以足够的时间和空间分辨率的改正数据,从而收取特定市场可以承担的改正数订阅费。
 
  鉴于上述的这些改正产品,PPP用户,有更大的能力来访问定位性能水平广泛阵列的各种新应用,无论是若干分米级移动设备定位到陆地、海上、空中载体的自动,或者半自动数厘米级的定位。 PPP可用于完好性监测,也可用于生命安全,后者必选低成本,对于可用性和完好性而言,相对高精度定位也是必选项目。对于关键安全和高精度应用,例如车辆自动化,PPP可与RTK一起配合使用,以实现低成本硬件的稳健性和独立性。这样的并行和协作的方式,将需要用户的混合处理引擎,和强大的从各种各样本地、区域和全球的来源的空间状态改正数。我们在这里是从当前的基于大地测量硬件看到的一些商业服务。
 
  近期的PPP增强的发展趋势,也包括低成本,和多传感器集成。最佳化的导航算法和高效的用户处理引擎,将成为低成本设备能力持续增加和低成本集成传感器解决方案的优先选择,也是大众市场应用的需要。类似于米级GNSS单点定位那样,更低的硬件成本将促进市场的规模化销量,类PPP改正服务和基于GNSS的多传感器融合技术更多地集成进入导航解决方案,利于应用到各种行业和消费类应用领域。显然,PPP的未来是前景一片光明。
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