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gnss什么意思(三大gnss)

张世龙2021年12月03日 21:23天道酬勤1780

开拓GNSS 2C市场的一个重要方向是手机用户。如果手机能够稳定达到动态分米定位精度,将会广泛应用于定位服务、增强现实、游戏等场景,点燃爆炸性需求,其市场前景也只是受限于想象。一般来说,需求可以驱动技术,同时技术也可以驱动需求。布局高精度手机市场是当前行业的共识。

目前全球有50多亿个GNSS设备,其中75%以上是手机。需要高精度的应用,比如汽车导航、人员监控、自行车租赁服务等,基本上都是依靠手机。位置信息的使用占手机应用的50%以上。

1999年,第一款商用GPS手机问世。

2011年,第一批GPS和GLONASS手机问世。

2018年,小米发布了全球首款双频GNSS手机。可提供GPS、BDS、GLONASS、伽利略的原始观测值,支持第二频率L5/E5a。

全球首款双频GNSS手机小米8

一、技术状况

1.支持GNSS原始观测数据的输出,获取测距码、多普勒、载波相位等观测值。

至少会带来以下好处:

1)改进的滤波算法。

2)完善与其他传感器的组合导航。

3)可以应用RTD、RTK、PPP等增强技术。

2.支持多个星座,在开放环境下可跟踪25-40颗卫星,在城市峡谷等复杂环境下显著增加可见卫星数量。

3.支持第二频段L5/E5a。与L1相比,伪随机码周期长、码率高、伪码跟踪精度高、抗多径干扰能力强。虽然GPS L5信号部署缓慢,但随着我国北斗三号和伽利略号的建设,L5/E5a卫星数量明显提升。

4.理想情况下,L1伪距残差:QZSS约为3-5m;GPS、BDS、伽利略,约6-9m;GLONASS约为12-14米;L5远比L1精确,大约1-3m。

5.支持双频,可以消除大部分电离层延迟。

6.双频无电离层组合观测会放大噪声,双频定位效果不明显,甚至比城市峡谷等场景的L5/E5a单频定位更差。

7.低成本。全球导航卫星系统手机芯片的价格不到10美元,甚至低至1美元。

全球导航卫星系统信号频带

二、技术难点

1.受限于手机内部空间,只能使用小型线极化贴片天线。

2.城市峡谷动态定位是手机的典型应用场景之一。

以上两点导致多径成为影响手机定位精度的最大误差源,甚至达到20米。

3.由于手机功耗的限制,采用占空比省电机制,200ms跟踪后,GNSS数据将关闭800 ms。结果,载波相位观测不再连续,周跳现象非常严重。

4.有些手机可以禁用占空比,但仍然有很多周跳,功耗增加。

5.周跳问题使得载波相位模糊难以修复,所以只能采用浮点解。

6.与测量接收机相比,手机原始观测值的信号噪声水平高出约90%。异常值多,定位残差大。

三、发展历程

1.标准定位

早期手机只能从NMEA记录中获取手机的内部标准定位结果。——测距码单点定位SPP水平定位精度5-10m。

2.外部天线

2015年,美国研究人员使用了外置天线。虽然载波相位观测质量差,难以固定模糊度,但也能实现厘米级高精度载波差分定位。

美国开发了手机的便携式外接组件,只能实现米级定位。

中国研究人员使用便携式外部全球导航卫星系统模块获取参考站广播的全球导航卫星系统观测、星历和差分校正信息。实现分米级的高精度动态定位。

这些都需要通过外部组件来实现,很难在市场上应用。

3.单频静态

2016年,谷歌发布了安卓

意大利研究人员使用快速静态差分定位RTK算法,难以固定模糊度,但达到分米级甚至厘米级的水平精度。

2018年,加拿大研究人员进一步验证了手机NRTK定位的可行性。利用虚拟参考站的VRS技术进行后定位处理,可以实现亚米级静态定位。

无论是静态精密单点定位PPP还是静态载波差分定位RTK,在水平方向都能达到分米级或亚级。

米级精度定位。

但是,用户更关心的是动态定位。

3、单频动态

在城市峡谷等复杂环境中,单频点动态定位的典型性能在几米到几十米之间。

2017年,国内研究人员设计了一种历元间动态差分定位算法。动态条件下,能实现分米级精度定位。但在复杂环境下无法形成连续的有效解。

2018年,国内研究人员研究了占空比,设计了一种SPP算法,通过卡尔曼滤波进行观测值和运动状态更新。静态水平精度好于2米。动态定位精度约3米。

2019年,国内研究人员提出了一种新的单点定位SPP滤波方法。在观测环境良好的情况下,可实现水平方向分米级精度的静态定位和亚米级精度的动态定位。

国内研究人员采用优化的单频实时精密单点定位PPP方法,可以达到水平方向亚米级定位精度。在30秒内收敛至1米。

4、双频定位

2018年,手机开始支持双频GNSS原始观测数据。

国内研究人员进行了测试。静态双频精密单点定位PPP的精度在收敛后能达到分米级水平,收敛时间约100分钟。在动态定位过程中采用双频精密单点定位精度只能达到米级水平,反而不如单频精密单点定位PPP。

2019年,美国科研人员实现了40分钟内双频载波相位静态PPP达到10厘米浮点解定位精度,与大地测量级的接收机和天线相当。

5、组合导航

2009年,国内研究人员开发了一种GPS与多传感器组合的步行定位系统,采用了步行航位推算技术PDR,适用于复杂的城市环境。通过对惯导观测数据探测,分析行人脚步特征,进一步估计步长,航向角,步行航位,并融合GPS的观测信息,实现组合导航。

2019年, 国内研究人员设计了一种优化的GNSS/PDR组合导航方法。在不借助外界改正信息的情况下,可实现水平亚米级精度的静态定位。在动态定位实验中,水平精度也达到了2米左右。

四、双频评估

2019年,GSA测试评估了双频GNSS手机的性能,给出了一些有益的结论。

1)使用双频的主要优点是可以削弱电离层延迟,但是伪距总噪声理论上会放大约2.6倍。相比L1信号,L5/E5a对多路径影响有更强的鲁棒性。

2)可以应用无电离层组合来消除电离层影响,也可以独立使用L5/E5a来减轻噪声和多径误差,要根据场景来选择。例如,在开放天空条件下,多路径不是主要的误差来源,可以使用双频组合;而在城市环境中,多路径和反射信号很严重,可以单独利用L5/E5a信号来削弱。

3)双频削弱电离层延迟的效果在开阔的天空和高速公路的场景下应该是明显的,事实上,尽管效果也较好,但没有很明显的改进。在无大气干扰的开放天空条件下,使用双频的增益有限。双频的好处主要体现在城市环境中,这意味着利用了E5/L5测量的多路径削弱特性。

4)手机定位不仅使用GNSS,还使用了惯导,WIFI,移动通信信号等其他定位手段。

5)手机定位广泛使用了滤波技术,其效果在静态场景中尤为明显。手机可通过其他传感器检测到自己是静态的,进而会减少更新位置的频率。在这种情况下,滤波技术人为地提高了GNSS的定位精度。滤波方案对降低水平误差有显著效果。

6)双频手机比单频手机更有技术优势,但由于惯导和滤波等技术的广泛使用,双频纠正电离层误差带来的增益不明显。

文章来自光明游侠

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