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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,这引起了人们对信号不可用(即使是短时间)时会发生什么情况的担忧。

GNSS系统以我们通常看不到的方式影响着我们的日常生活,从位置服务到手机计时。事实上,这些卫星已经成为关键基础设施的必要组成部分,更高的精度现在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——如果连接中断。

“大多数人可能都熟悉使用GNSS从A点到B点,”微芯片科技公司频率和时间系统高级产品线经理Greg Wolff说。“但当你进入航空、铁路和海事等领域时,这些关键的基础设施部门非常依赖gnss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。最近的发展集中在提高定位精度和授时可用性,用于更广泛的消费者和工业部署。

GNSS适用范围:PNT
GNSS系统通常以其日常地区名称而闻名,如GPS、伽利略和GLONASS。除了辅助导航之外,它们还是许多基础设施应用程序的关键授时源,应用程序的整个领域有时被称为定位、导航和授时(PNT)。

作为一种导航工具,我们的日常使用一如既往。精度在一定程度上受到了限制,但我们已经能够用惯性测量单元(imu)——加速度计、陀螺仪和磁力计——以及地图匹配来支持GPS,这有助于确保定位决策与地图上说的相符。

农业是第一批在更精确的基础上采用GNSS的行业之一,其自动驾驶农业设备主要由卫星引导。但GNSS的应用范围可以随着精度的提高而扩大。

与此同时,对于许多应用程序来说,时间方面是至关重要的。长期以来,它一直是蜂窝系统的关键,但随着5G的发展,这一比例将会增加。沃尔夫说:“有了5G,需要精确计时的点的数量正在急剧增长。”

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。”“国土安全部已经积极参与,确保我们在关键基础设施上做正确的事情,以确保我们以安全的方式接收GNSS信号。”

有两个持续的挑战,如果不加以解决,将使这些关键应用程序变得脆弱。一个是GNSS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干扰天空能见度的物体遮挡。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,用不正确的数据代替真实的信号。

另一个挑战是准确性。这种情况在某种程度上变得更加复杂,因为军方有可能故意降低准确性。“美国军方国防部能够将GPS切换到精确模式或不准确模式,”萨普科达(Sapcorda,现归U-Blox所有)前首席执行官Botho Graf zu Eulenburg说,“这意味着GPS可能会有几百米的误差。”

撇开故意的不准确不谈,如今的限制更多地来自于环境。电离层似乎是造成信号失真的主要原因,因为电离层是一个电活跃的环境,会影响信号到达的时间。

Telit的物联网产品经理Gianmarco Zanda说:“电离层中的带电粒子会干扰和延迟GNSS信号,在很大程度上导致了位置错误。”

对流层也会干扰信号,特别是由于天气的原因——大部分都发生在对流层内。“在对流层,我们有水分和其他因素,这些因素也会对信号路径和信号延迟产生影响,”祖·欧伦伯格说。


图1:大气层。电离层并不是一个独立的层,它横跨热层和中间层的各个区域。

卫星轨道的变化也会导致不准确。“与GPS信息一起,(GNSS系统)广播卫星的精确轨道,”zu Eulenburg继续说。“但不幸的是,它每天只更新一两次。如果它有半米的误差,那么在地面上的精度也会有半米的误差。”

时钟不准确是导致错误的另一个原因。“一旦卫星时钟误差1纳秒,那么在距离测量上也会误差30厘米,”祖·欧伦伯格说。“它不像工程师们希望的那样稳定。典型的测量精度只有10米左右。”

提高准确度的各种方法导致了不同的服务水平。除了故意的不准确模式,还有手机提供的精确水平,在地图的辅助下,可以在2到15米的范围内。

多年来,也有一系列系统来提高准确性。但要达到这一水平,需要相应的技术提供相当多的帮助,而一些改进已经使这成为可能。

维护时间
虽然imu和地图在不可用时有助于备份GNSS信号,但这些系统对寻找GNSS计时的基础设施没有帮助。需要不同的备份来确保时间的连续性。支持所谓的“实况天空”(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:“现在的趋势是,不仅要让接收GPS信号的手机设备本身更有弹性,还要减少网络中GPS接收器的数量。”“这是可能的,因为现在有方法可以非常准确地在网络上传输时间,并且可以承受网络中断。”

这样做的能力已经提高到网络计时甚至比GNSS计时更可靠的程度。“你相信来自这些星座的时间是好的吗?”沃尔夫问道。“各国得到的答案是,‘不,我们要建造一个可以比较多个授时源的微型网络。’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,甚至成为第三个时间来源。”

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,计时包被打上了时间戳,这样在各种网络跳中遇到的延迟就可以计算出来,并在报告到达时从实际时间中删除。

另一个可供选择的计时来源可以来自当地的原子钟。这些可能基于不同的因素,在成本和准确性方面存在差异。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:“铯原子钟给我们频率,但它并没有告诉我时间是什么。”“所以我们可以把时钟和GPS信号结合在一起。如果GPS信号消失了,我们可以继续产生时间,频率的稳定性来自铯钟。”

然而,这些系统的使用并不是完全自动化的。个人充当计时管理人员,使用Microchip等公司的工具来监控计时源,并确保在任何计时源出现问题时都有替代方案。


图2:管理工具允许GNSS信号由地面授时信息备份,以便在GNSS中断的情况下保持授时。来源:芯片

多个GNSS波段
关于提高定位精度,至少有两种方法。第一种是简单地从卫星上发射不同频率的多个信号。这是一种更现代的方法,所以不是所有的卫星都能做到。

通过使用多个频率,可以更容易地将多路径和干扰问题排除在计算之外,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,使用两个频率大大提高了模块的整体精度。”

虽然不同的区域GNSS系统在相似的频率上运行,但它们都在所谓的l波段内。L1波段的使用已经很成熟了,但是将它与L5波段结合起来可以得到更准确的结果。

Zanda说:“L5频段和等效的全球对应频段改善了信号结构,与L1频段相比,使其更健壮,使其更不容易退化和多径错误。”“当反射是由建筑物引起时,L5信号的不同结构特别有用,因为多个反射信号通常不会‘重叠’,接收器能够区分正确的信号。”

L5波段还提供了一个安全网,并保护免受其他无线电信号的干扰。Zanda指出:“多个频率的冗余提供了备份,以防一个频段出现故障,还有助于接收器识别废弃信号或意外故障。”“使用L5的另一个主要优势是,它是在为航空安全服务保留的波段内广播的,因此不受无线电干扰。”


图3:GPS、伽利略和GLONASS使用的不同GNSS频段。来源:U-Blox

地面精度辅助
除此之外,还有一个系统可以生成和传输更正。这是通过使用全球各地的参考站来完成的,这些参考站的位置精确到毫米级。虽然这种系统已经存在了一段时间,但它们仍在不断发展,在部署成本和定位精度之间进行权衡。一个早期的例子是实时动力学(RTK)系统。

U-Blox服务产品经理Cornelia Waldecker表示:“RTK是在21世纪初发明的,在测量界已经广为人知。“几年后,一种叫做‘PPP’的‘精确点定位’技术出现了。这两种技术之间的一个很大区别是RTK网络在参考站之间的距离相当短,大约是50公里。当你观察经典的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,仅仅是因为参考站之间的距离太远。”

最新的版本被称为RTK-PPP,它弥合了两者之间的差距,车站之间相隔数百公里。精度优于PPP,但低于RTK。但这是一个面向大众市场的服务,正如Waldecker解释的那样,“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。但你需要在更大的地区,比如整个大陆,保持一致的准确性。”

通过监测这些监测站的GNSS信号,可以计算误差并广播更正。“我们在一个广阔的地区平均分布所谓的参考站,”zu Eulenburg解释说。这些参考站是GPS接收器,它们的天线非常好。一天24小时,他们接收所有飞过的全球导航卫星系统卫星,并将这些观测数据发送到数据中心。”

额外的“完整性”站被用来监测所有参考站,以确保任何一个站或卫星都没有任何可疑之处。“我们使用这些站完全独立于我们的系统来检查结果是否正确,”zu Eulenburg说。“一旦我们发现任何不当行为,我们就会对这辆车发出警告,‘小心,这辆车不能使用。’”

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。但现在它们也通过非gnss星座的地球同步卫星广播。即便如此,它们也必须经常更新。

“卫星以每小时2万公里的速度在距离地球2万公里的地方飞行,大气层是非常动态的,”祖欧伦伯格说。“因此,我们需要每五秒提供一次新的修正数据。”

通过订阅访问更正。流是加密的,这意味着需要订阅密钥才能接收服务。这些修正并不直接提供给消费者。相反,它们被GPS服务提供商使用,其客户将收到正确的信息。

解锁流的键必须是全局的,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的挑战。这是通过定期更改密钥来管理的。

U-Blox的首席产品经理Franco de Lorenzo解释说:“密钥通过一个特殊的MQTT(传输协议)主题传递,设备需要订阅该主题才能接收最新的密钥。”“密钥是动态的,每四周轮换一次,因此如果访问被阻止,密钥的有效期仅为有效期内。”


图4:通过移动系统和l波段卫星(不同于GNSS卫星本身)传送校正的组合系统。SPARTN指的是校正数据格式。来源:U-Blox

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

然而,广播校正可能无法解释当地的影响,例如当地的天气。汽车配备了额外的工具来处理这些问题。“车上有降雨接收器辅助的完整性模型,可以交叉检查他们的观测结果,即使是20公里外的雷暴,他们也能体验到这些局部影响,”zu Eulenburg说。

车辆也有可能识别出不合理的读数和修正,确保车辆不会盲目跟随不正确的位置信息。祖欧伦伯格说:“车内的接收器将使用来自不同方向的6或7颗GPS卫星进行计算。”“它可以交叉检查不同的卫星。”

总的来说,精度可以降到10厘米以下。祖欧伦伯格说:“虽然我们知道,如果我们在我们的完整站中使用真正高级的GNSS接收机和天线,那么我们通常可以实现3到6厘米的精度,但我们在市场上的精度不到10厘米。”“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器,质量总是会有所下降。但我们可以证明,即使使用低成本设备,也可以实现10厘米以下的距离。”

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类型也可以帮助普通房主。“如果你有一个非常大的院子,那么你甚至可以编程一台割草机,把你最喜欢的足球俱乐部的武器雕刻到院子里,”祖·欧伦伯格沉思着。

随着越来越多的关键应用依赖GNSS进行定位和计时,GNSS正越来越深入地嵌入到我们的基础设施中。提高精度和稳健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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