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提高卫星导航系统的精度

可靠性的提高将为新的消费和工业应用打开大门。

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对全球导航卫星系统(GNSS)星座的依赖日益增加,人们对信号不可用时(即使是短时间内)会发生什么感到担忧。

从定位服务到手机定时,GNSS系统以我们通常看不到的方式影响着我们的日常生活。事实上,这些卫星已经成为关键基础设施的必要组成部分,更高的精度正在进入大众市场应用。但是,对GNSS依赖的增加也使我们容易受到任何情况的影响——有意或无意的——如果连接中断。

Microchip Technology负责频率和时间系统的高级产品线经理格雷格·沃尔夫(Greg Wolff)说:“大多数人可能都熟悉使用全球导航卫星系统从A点到B点的过程。”。“但是,当你进入航空、铁路和海事等领域时,这些关键的基础设施部门难以置信地依赖于全球导航卫星系统提供的服务。”

信号结构和地面设备的改进有助于提高精度和冗余度。最近的发展集中于提高定位精度和时间可用性,以实现更广泛的消费者和工业部署。

全球导航卫星系统的范围:PNT
全球卫星导航系统(GNSS)通常以其日常的地区名称而为人所知,如GPS、Galileo和GLONASS。除了协助导航之外,它们还是许多基础设施应用程序的关键计时来源,整个应用程序领域有时被称为定位、导航和计时,或PNT。

作为一种导航工具,我们的日常使用一如既往。精度有些有限,但我们已经能够用惯性测量单元(imu)支持GPS——加速度计、陀螺仪和磁力计——以及地图匹配,这有助于确保定位决策与地图显示的可能一致。

在地图毫无用处的农业领域,无人驾驶农业设备主要由卫星导航,是最早采用更精确的全球导航卫星系统的行业之一。但全球卫星导航系统的应用范围可能会以更高的精确度增长。

同时,事情的时间方面对于许多应用程序来说是至关重要的。长期以来,它一直是蜂窝系统的关键,但随着5G的发展,这一点将会增加。沃尔夫说:“随着5G的出现,需要精确计时的点数正在急剧增加。”。

5G对其他基础设施也很重要。沃尔夫说:“当我说关键基础设施时,我指的是5g网络运营商、机场运营、铁路、海事数据中心,以及现在非常非常大的政府网络。”“国土安全部已经非常积极地参与进来,以确保我们在关键基础设施上做正确的事情,确保我们以安全的方式接收全球卫星导航系统信号。”

有两个持续存在的挑战,如果不加以解决,就会使这些关键应用程序变得脆弱。其一是全球卫星导航系统信号本身的可用性。卫星发出的信号相对较弱,很容易被建筑物和其他物体阻挡,干扰天空的能见度。此外,信号可能被局部干扰或更隐蔽的故意干扰所干扰。它们可以被欺骗,用错误的数据代替真实的信号。

另一个挑战是准确性。这幅图变得更加复杂,因为军方可能故意破坏其准确性。Sapcorda公司(现在属于U-Blox公司)前首席执行官Botho Graf zu Eulenburg表示:“美国国防部能够将GPS切换到精确模式或不准确模式,这意味着GPS可以在几百米之外。”

撇开故意的不准确不谈,如今的限制更多地来自环境。电离层似乎是造成失真的最大罪魁祸首,因为电离层的电活动环境会影响信号的到达时间。

Telit物联网产品经理Gianmarco Zanda说:“电离层中的带电粒子干扰并延迟了GNSS信号,这在很大程度上导致了位置误差。”。

对流层也会对信号产生干扰,特别是由于天气的原因——这些干扰大多发生在对流层内部。祖尤伦伯格说:“在对流层,我们有水分和其他东西,也会对信号路径和信号延迟产生影响。”


图1:大气中的各层。电离层不是一个明显的层,跨越热层和介层的不同区域。

卫星轨道的变化也可能导致不准确。“全球导航卫星系统(GNSS)连同其全球定位系统(GPS)信息一起广播卫星的精确轨道,”祖·尤伦堡继续说道。“但不幸的是,它一天只更新一到两次。如果它离地面半米,那么地面的精度也就差半米。”

时钟误差是误差的另一个来源。尤伦伯格说:“一旦卫星的时钟慢了1纳秒,那么在距离测量中,它也差了30厘米。”“它不像工程师希望的那样稳定。典型的测量精度只有10米左右。”

提高准确性的各种方法导致了不同的服务水平。除了故意不准确的模式,还有手机提供的精度水平,在地图的帮助下,可以在2到15米的范围内。

多年来也有一系列的系统来提高精确度。但要达到这一水平需要来自相关技术的相当大的帮助,一些改进已经使之成为可能。

维护时间
虽然IMU和地图有助于在GNSS信号不可用时进行备份,但这些系统无法帮助寻找GNSS定时的基础设施。需要不同的备份以确保时间的连续性。支持所谓“实时天空”(或“开放天空”)计时的一种方法是通过地面计时。这意味着通过传统的地球网络发送相同的定时信息。

沃尔夫说:“现在有一种趋势,不仅是让手机设备本身接收GPS信号更有弹性,而且还减少了网络中GPS接收器的数量。”“这是可能的,因为现在有方法在网络上极其精确地传输时间,而且这种方式可以承受网络中断。”

这样做的能力已经提高到网络定时甚至可能比GNSS定时更可靠的程度。“你相信来自那些星座的时间是好的吗?””沃尔夫问道。“各国的答案是,‘不,我们要构建一个微型网络,可以比较多个时间源。’也许GPS接收器不再是那个特定地点的主要时间来源,而是成为第二个备份,甚至是第三个时间来源。”

这就产生了一个问题,因为网络延迟会影响报告的时间。为了解决这个问题,定时包上有时间戳,这样就可以计算在各种网络跳中遇到的延迟,并从报告到达时的实际时间中去除。

另一种计时方法可以来自当地的原子钟。这些可能基于不同的要素,在成本和准确性上存在差异。如果“真正的”定时源消失一段时间,这样的系统可以有效地充当飞轮。

沃尔夫说:“铯原子钟告诉我们频率,但它不能告诉我时间。”“所以我们可以把时钟和GPS信号结合在一起。如果GPS信号消失,我们可以继续生成时间,铯时钟的频率稳定。”

然而,这种系统的使用并不是完全自动化的。个人充当计时管理者,使用Microchip等公司的工具监控计时源,并确保在任何计时源出现问题时使用替代方案。


图2:管理工具允许GNSS信号得到地面定时信息的支持,在GNSS中断的情况下维持定时。来源:芯片

多个GNSS乐队
关于提高位置精度,至少有两种方法在发挥作用。第一种是简单地从卫星发射多个不同频率的信号。这是一种更为现代的方法,因此并非所有卫星都能做到这一点。

通过使用多个频率,可以更容易地排除计算中的多路径和干扰问题,从而提高精度。Zanda说:“使用双频设备可以消除用户等效测距误差(UERE)计算中描述的所有主要电离层误差(即单频从6到3米,双频从0.08到0.03米)。”“由于电离层误差是‘开放天空’条件下的主要误差来源之一,使用两种频率极大地提高了模块的整体精度。”

虽然不同的区域GNSS系统运行在相似的频率上,但它们都在所谓的l波段内。L1波段的使用是行之有效的,但将其与L5波段结合使用会得到一个整体上更准确的结果。

Zanda说:“L5带和等效的全球同行改进了信号结构,与L1带相比,它更健壮,更不容易发生退化和多径误差。”“当反射是由建筑物引起时,L5信号的不同结构特别有用,因为多个反弹信号通常不会‘重叠’,接收机能够辨别出正确的那个。”

L5波段还提供了一个安全网,以及从其他无线电信号的保护。Zanda指出:“多个频率的冗余在单个频带故障时提供了备份,也有助于接收机识别废弃信号或意外故障。”“使用L5的另一个主要优势是,它在为航空安全服务预留的频段内广播,因此可以免受无线电干扰。”


图3:GPS、Galileo和GLONASS使用的不同GNSS频带。来源:U-Blox

陆地准确性援助
除此之外,还有一个可以产生和传播更正信息的系统。这是通过使用全球各地的参考站来实现的,这些参考站的位置以毫米级为准。虽然这样的系统已经存在了一段时间,但它们仍在不断发展,以平衡部署成本和定位精度。早期的一个例子是实时动力学(RTK)系统。

U-Blox的产品经理Cornelia Waldecker说:“RTK是本世纪初发明的,这在测量界是众所周知的。”“几年后,一种叫做‘PPP’的‘精确点定位’技术出现了。这两种技术的一个很大的区别是RTK网络在参考站点之间的距离相当短,大约是50公里。当你看经典的PPP服务时,参考站之间的距离是数千公里,这意味着PPP网络不能很好地估计大气条件,仅仅因为参考站之间的距离太远。”

这种技术的最新版本被称为RTK-PPP,它将两者之间的差异分割开来,站点相距数百公里。精度优于PPP,但低于RTK。但这是一种大众市场服务,正如Waldecker所解释的,“对于大众市场中的大多数应用程序来说,这是非常动态的,你不需要最后一厘米。但你需要在更大的区域(比如整个大陆)保持一致的精度。”

通过监测这些台站的GNSS信号,可以计算误差并广播修正。祖尤伦伯格解释说:“我们将所谓的参考站均匀地分布在广阔的区域。”“这些参考站都是GPS接收器——有非常好的天线。一天24小时,他们接收所有飞过的GNSS卫星,并将这些观测数据发送到数据中心。”

额外的“完整”站被用来监视所有的参考站,以确保任何站或卫星没有可疑的迹象。祖尤伦伯格说:“我们使用的这些监测站完全独立于我们的系统,以检查结果是否正确。”“一旦我们发现任何不当行为,我们就会对汽车说,‘小心,这不能用。’”

这些修正已经使用专用协议在蜂窝系统上广播了一段时间。但现在它们也在非GNSS星座的地球静止卫星上广播。即便如此,它们也必须经常更新。

祖尤伦伯格说:“卫星以每小时2万公里的速度从地球上空飞行2万公里,大气非常动态。”“因此,我们需要每5秒钟发送一次新的校正数据。”

可通过订阅访问更正。流是加密的,这意味着需要一个订阅密钥来接收服务。这些修正并不直接向消费者提供。相反,它们被GPS服务提供商使用,这些提供商的客户会收到更正的信息。

解锁流的密钥必须是全局的,因为这是一个广播信号。这就提出了在订阅失效时取消访问权限的挑战。这是通过定期更改密钥来管理的。

U-Blox的主要产品经理Franco de Lorenzo解释说:“密钥是通过一个特殊的MQTT(一种传输协议)主题交付的,设备需要订阅该主题才能接收最新的密钥。”“钥匙是动态的,每四周旋转一次,所以如果访问被阻止,钥匙只能在有效时间内有效。”


图4:通过移动系统和l波段卫星进行校正的组合系统,这与GNSS卫星本身不同。SPARTN是一种校正数据格式。来源:U-Blox

车辆也可以自己进行一些修正。理论上,汽车甚至可以自行计算广播校正,但这需要大约30分钟的时间。事实上,广播允许在10到15秒内定位。

然而,可能存在广播校正无法考虑的局部影响,例如当地天气。汽车配备了额外的工具来处理这个问题。祖尤伦伯格说:“车里有雨水接收器辅助的完整性模型来交叉检查观测结果,即使是20公里外的雷暴,它们也能体验到这些局部影响。”

而且,车辆可以识别没有意义的读数和校正,确保车辆不会盲目跟随错误的位置信息。祖欧伦伯格说:“车上的接收器将使用来自不同方向的六到七颗GPS卫星进行计算。”。“它可以交叉检查不同的卫星。”

总的来说,精度可以低于10厘米。zu Eulenburg说:“我们以低于10厘米的精度销售该产品,尽管我们知道,如果我们在integrity站使用真正高级的GNSS接收机和天线,那么我们通常可以达到3到6厘米的精度。”。“但在大众市场上,大多数应用都使用成本较低的天线和接收机,而且质量总是会有所下降。但我们可以证明,即使使用低成本的设备,也可以达到10厘米以下。”

结论
考虑到大众市场的这种精度水平,以前只有拖拉机才能使用的控制方式也可以帮助普通房主。祖欧伦伯格若有所思地说:“如果你有一个非常大的院子,那么你甚至可以编程一个机器人割草机,把你最喜爱的足球俱乐部的武器雕刻在院子里。”

随着越来越多的关键应用依赖GNSS进行定位和定时,GNSS正越来越深入地嵌入到我们的基础设施中。提高精度和健壮性将有助于这些系统在面对任何GNSS信号中断或扭曲时保持运行。



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