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5G和北斗是国之重器。北斗作为卫星定位系统目前在国际上已处于领先地位而且已经渗透到我们工作和生活的方方面面。本文将简要介绍卫星定位的原理和应用情况方便大家对北斗、卫星定位有更多的了解。
卫星定位的原理
卫星定位系统的英文是Global Navigation Satellite System(GNSS虽然直接翻译过来是导航卫星系统但它真正提供的能力是定位能定位后导航就变得相对简单了。卫星定位的原理是利用卫星播发时间信号当设备接收到后可以根据信号发射时间和本地时间计算出信号传输时间再结合光速获得卫星-设备距离。 有了多颗卫星的信号可以列出一组方程求解4个未知数设备的三维坐标x/y/z以及本地时间与GNSS系统的时间差。
式中的代表卫星j的三维坐标这个坐标可以通过卫星星历计算获得。 星历是描述卫星运行轨道的一组参数卫星轨道是一个椭圆通过几个参数和时间可以唯一确定卫星的准确位置。
星历的获取有两种方式一种是卫星直接播发这种方式的好处是定位过程不依赖卫星信号以外的任何输入即使没有网络也可以定位成功但问题是卫星链路带宽很小要下载完整星历需要30秒左右的时间早期的手机和一些车载设备定位过程很慢就是由于这个原因。
另一种方式是通过互联网播发这种方式叫A-GNSS具体的传输协议叫SUPL(Secure User Plane Location)这种数据一般不对应用层透出在手机上操作系统会在底层定时请求SUPL数据然后将获得的星历注入GNSS芯片。有了A-GNSS设备就可以在秒级获得定位不需要任何等待过程目前所有的手机都支持这种方式。A-GNSS的服务提供商主要是通信运营商以及一些定位服务商比如谷歌、千寻等。
卫星不间断的向地面广播信号这个信号主要包括以下信息 卫星编号。用于从星历中查找卫星轨道再结合时间戳获得当前卫星位置 当前时间戳。用于获得卫星位置另一方面计算伪距。伪距是(本地时间-信号发射时间)*光速之所以叫伪距是因为本地时间与卫星时间不同步所以这个距离并不是真正的设备-卫星距离。 星历数据。用于计算卫星位置。
像其他所有的通信技术一样这些信息也是以报文的形式发送的以GPS为例卫星会每隔6秒发出一个包而这个包会分解为数据位-CA码序列-载波波形通过天线发射到地面。地面设备持续锁定卫星在解算时计算每颗卫星当前时刻的时间戳用最近一次收到的时间戳加上报文偏移量然后进行位置解算。 载波的频率是1.5G左右波长20厘米左右比移动通信的波长稍长一些所以信号的穿透性还是比较好的波长越长越容易绕开障碍物可以穿透比较薄的墙壁或屋顶所以在一些情况下即使无法直接看到天空也是能定位的。但是卫星信号是从上往下在室内很难穿越多层建筑。
卫星定位的另一个特点是可以解算出速度其依据是多普勒频移原理与交警用的测速仪原理一样。当信号源与接收设备存在相对运动时接收到的信号频率会发生变化。 频率变化量与相对速度存在如下公式 其中公式左边是频差和波长v是设备运动速度矢量vj是卫星运动速度矢量1j是卫星的投影方向dt是本地设备的频漂速度。只要测量了4颗星的频差就可以解出本地设备的运动速度与设备姿态无关。
除了定位和测速定位卫星还可以完成全球授时解算过程中获得本地钟差这也是目前成本最低的高精度授时方法比绝大部分设备自带的时钟都要准确。
一般而言伪距测量值精度不如频率测量精度高伪距定位精度在10米左右而多普勒定速精度可以达到0.2米/秒以内授时精度在20ns原因是伪距测量容易受到多种路径误差影响后面会介绍而频率测量的干扰因素少很多。
卫星定位发展历程
最早的卫星定位系统是美国在1960年代开发的子午仪系统后续在70年代开发出了GPS定位系统目前的GPS系统由24颗卫星构成。除了GPS世界多国也开发出了自己的卫星定位系统主要的有中国的北斗系统、欧盟的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳兹系统此外日本和印度在开发区域定位系统。 除了天上的卫星各定位系统还需要地面站对卫星的运行进行监测包括健康度、轨道参数计算完成后要注入卫星实现全球播发、信号质量等另外还需要对卫星进行控制。
各种卫星定位系统使用的技术类似大多采用中轨道卫星MEO卫星高度2万公里少数采用了地球同步轨道GEO卫星高度4万公里和地球倾斜同步轨道IGSO。同时信号播发大多采用CDMA技术实现在同一个频率上传输多颗卫星的信号。为了让地面设备能够较好的接收来自几万公里外的信号信号的数据速率都比较低比如GPS L1频段的数据传输速率只有50字节/s根据香农定理CB*log2(1S/N), 在频率带宽B固定的情况下随着传输速率C的降低接收端在信噪比(S/N)比较低的时候也可以解出正确的信号有利于持续的锁定卫星信号。
与其他定位系统相比北斗的特点主要有 亚太地区覆盖好。北斗系统由3颗地球同步卫星、3颗地球倾斜轨道同步卫星和24颗中轨道卫星构成与GPS相比北斗有6颗星持续覆盖亚太地区极大提升了亚太地区可见卫星的颗数一方面提高定位成功率另一方面也能提升精度改善了GDOP减少了误差。 北斗的同步卫星可用来进行通信地面设备可以将短报文发送到卫星只用GEO卫星支持短报文上然后转发给目标终端这种通信是免费的但是需要专门的天线和设备需要将信号发射到4万公里远的地方普通手机肯定是不行的。 多个卫星定位系统的信号同时被收到时所有的卫星可以一同参与解算每增加一个系统只需增加一个新的参数即这个系统相对于GPS系统的时间差使得定位精度可以获得提升。目前手机上无法选择参与定位的星座或者卫星所以我们无法指定只用北斗或者不用GPS定位。
我们对比了手机端GNSS定位时使用不同系统的占比可以看出GPS和格洛纳兹由于发展的比较早在手机芯片侧的渗透率比较高因此被使用的比例也最高其次就是北斗。 按参与定位的卫星颗数统计北斗排在第二位仅次于GPS。 因为各系统技术类似其定位精度也是类似的北斗也不例外水平定位误差一般在10米以内。垂直定位精度一般会差一些主要是由于卫星都分布在设备的一侧垂直方向上的误差难以修正。
卫星定位接收机构成 卫星定位接收机的原理图如上图所示主要的模块包括
天线
用于接收卫星信号。由于卫星信号微弱天线当然是越大越好但是由于接收机需要移动天线尺寸受到制约。天线的主要作用是放大信号和抑制多径主要的类型有以下几种 左边的是比较常见的天线内部是陶瓷天线外部带磁铁可以吸附在车顶中间的是专业天线旁边带扼流圈可以抑制来自四周和地面反射的信号只接收从天顶方向来的信号这种天线的效果最好一般用于专业研究和高精测绘右侧是手机天线长度只有几厘米效果最差。
卫星信号的电磁波是圆极化的传播时在垂直于传播方向的一个平面上波动因此采用圆极化天线如平面的陶瓷天线接收效果最好。但手机上天线尺寸太小只能采用线极化天线信号捕获能力大幅下降再加上缺乏信号屏蔽扼流圈极易受到多径效应以及其他信号干扰。
射频前端
这个模块主要是将原始信号进行下变频、功率放大以及滤波提取真正有用的信号便于解码处理。
基带处理
这个模块是对卫星信号进行解码获得卫星报文。每颗卫星的信号需要一个单独的通道进行处理如果有100颗卫星2个频段那可能需要200个通道才能有效处理这些信息。通道数越多可以获得的卫星观测值也就越丰富定位精度也就越高。 解码的过程分为搜索-锁定-分析三步首先生成每颗卫星的伪码然后与信号进行自相关操作相关度达到一定程度就可以锁定卫星然后进行码锁定、位同步、帧同步最终提取出报文。这个过程要持续进行因为多普勒效应信号的频率会不断变化所以本地生成的伪码也要不断变换频率去适配卫星的变化。一旦失去锁定就会丢失信号也就无法定位了。
PVT解算
PVT包括PositionVelocity和Time。这一步是真正进行定位的步骤是利用基带解码获得的报文提取出时间戳、星历等信息代入公式进行计算然后将计算结果输出给应用程序。
定位误差来源与精度提升
卫星定位虽然已经很准确了但是在某些场景下还是无法满足需求比如打车的时候定位点离车辆有一定距离、步导的时候难以区分方向甚至会定位到马路对面、静止的时候定位点总数飘来飘去、室内的时候定位点乱飘。这需要从卫星信号的发射、传输、接收过程来解释。 卫星信号从发射到被设备接收需要经过大气层其中大气电离层有数千公里厚这部分大气非常稀薄但是存在大量被电离的电子这部分电子会让电磁波变慢一点从而产生延迟。在对流层也会产生一定的延迟。在地表附近由于各种建筑、山体、水面的影响卫星信号可能被反射或折射多径效应产生延迟。
在卫星信号发射侧和接收侧也有很多系统相关的误差比如时钟偏差、处理延迟等这些延迟加上传输延迟使得卫星信号的传输时间并不是准确的等于物理距离/光速另一方面卫星的星历也有误差卫星位置和真实位置存在偏差最终造成了定位结果产生偏差。
要提升定位精度需要想办法消除这些误差主要有以下几种方案。
双频GNSS
不同频率的电磁波通过电离层时会有不同的延迟人们发现对两个或多个频率的观测值进行线性组合可以消除电离层误差从而能提升精度。这就是双频GNSS定位的原理。小米8是业界第一款支持双频GNSS定位的手机后续各大厂商均进行了跟进一些高端手机均采用双频定位。消除电离层误差后定位精度可以提升到5米以内。
地基/星基增强
星历误差、卫星时钟误差、甚至是电离层和对流层误差都是可以观测或建模的一旦计算出了实时的误差值就可以通过一个单独的通道进行播发接收设备在定位过程中使用这些修正项就可以提升定位精度。播发的通道一般有两种一种是直接通过卫星播发称为SBAS(Satellite-Based Augmentation System)好处是覆盖广但设备需要增加额外的信号接收通道另一种是地基增强比如通过互联网这需要设备具备联网能力。
这些增强方式对于精度提升是有限的还是有很多误差项无法消除比如电离层误差。
高精定位-差分定位(RTK)
RTK是Real - time kinematic的缩写是一种差分定位。其原理是利用一个参考站提供基准观测值然后用设备的观测值与基准站的观测值进行差分差分后可以消掉星历误差、卫星钟差、电离层误差再进行星间差分后可以进一步消除掉设备的钟差最终可以算出设备相对基准站的相对坐标如果基准站位置已知就可以完成准确的绝对坐标精度可以达到厘米级甚至毫米级。
RTK能提升精度的另一个原因是引入了载波相位观测相比伪距观测值载波相位观测值的误差更小。
使用RTK需要在附近20km内有参考站距离太远电离层误差不一样做差分无法完全消除误差同时需要持续不断的获得参考站的观测数据一般通过互联网传输使用RTCM协议因此相对普通的定位RTK定位成本较高但对于一些对精度要求很高的场景比如车道级定位、自动驾驶等是必不可少的。
RTK服务一般由专业服务商提供如千寻、六分这些服务商在全国范围内部署了数千个基准站持续对订阅用户播发数据。
高精定位-精密单点定位(PPP)
RTK需要布设密集的参考站有没有办法不依赖参考站PPP(precise point positioning)就是一种方法它的原理是对每一种误差进行准确建模最终求解出卫星和设备之间的准确距离。为了确定准确的误差PPP定位时需要不断的迭代内部参数而且一些卫星的误差只有当卫星位置变化后才能体现出来所以PPP需要比较长的收敛时间一般需要30分钟才能收敛到理想的精度如何更快的收敛是目前学术界的一个研究热点。
组合定位
卫星定位的一个最大问题就是丢失卫星信号后如何定位这就需要其他定位方式来补充。组合定位是利用卫星信号和其他定位技术比如惯性导航来完成定位二者相互配合。最简单的一个例子就是卫星定位是有一个最高频率的一般最多是10Hz在两次定位之间可用惯导来进行位置推算获得更高频率的位置输出。而组合导航最重要的作用是提升精度比如利用卡尔曼滤波方法用惯导计算推算位置用卫星定位提供观测量对推算位置进行修正这可以让定位结果更加平滑而且可以对异常的卫星观测量进行过滤或降权。
手机上的卫星定位
在移动互联网出现以前卫星定位终端是一个很专业的领域只有测绘、军事等领域会应用这种技术定位需要使用专用的接收机比如Trimble、ublox等。随着智能手机将卫星定位芯片集成卫星定位的应用得到爆发式增长终端数量一下子提升到几十亿量级也产生了海量的位置数据。
手机上的卫星定位与专业接收机还是存在比较大的差异主要体现在 手机受限于尺寸天线比较小对原始信号的捕获、锁定、去噪能力都比较差造成接收到的信号质量天然不如专业接收机。 手机上芯片成本比较低支持的通道数比较有限一次定位能够解码的卫星数量和系统数量都比较少主要是单频少数是双频没有三频。 手机上对功耗、性能开销的要求比较高不能花费大量资源在定位上解算算法的复杂度比较低效果也比较有限精度比较差。
苹果手机
苹果手机的定位能力是完全封闭的对外只透出定位结果外部基本无法拿到任何定位相关的原始观测量比如卫星数量、类型等。好消息是iPhone12终于开始支持北斗了。从苹果的API上外界甚至无法区分定位结果到底是来自卫星定位还是网络定位目前仅能通过速度的符号来判断但苹果对此没有任何承诺。所以基于苹果手机我们基本无法做出优化苹果手机上高德地图的定位点都是iOS底层直接提供的。
安卓手机
安卓手机比苹果手机开放的多在定位能力方面提供了一系列API 可以单独获取卫星定位结果或网络定位结果也可以同时进行两种定位。 提供了NMEA格式一种卫星定位结果的规范化表达的结果数据可以获取每颗卫星的ID、类型、信号强度以及xDOP等细粒度的误差描述。 提供了GnssStatus来描述每颗卫星的状态内容比NMEA更全面。 提供了GnssMeasurement来描述原始观测量包括伪距测量值、载波相位测量值、卫星锁定状态等。 提供了GnssClock描述本地时钟的状态。 提供了GnssNavigation透出最原始的未解码报文。
有了这些信息通过一些App就可以实时看到当前的卫星状态例如Androits gps test, GPStest等 另外我们还可以进行卫星定位的软解算对卫星定位结果进行修正甚至替代。我们主要尝试解决两类问题 定位不准对卫星定位结果进行质量判断识别其中的大误差点优化精度或者优化精度半径使下游使用定位点的时候能够差异化的处理。 定位不准的原因主要是来自卫星信号中含有误差而影响最严重也是最难抑制的就是多径造成的影响。
另一类定位不准的问题是系统将其他定位结果伪造为卫星定位结果。比如将网络点冒充为卫星定位点。 无法定位系统不输出定位结果时尝试进行软件解算。
无法定位最主要的原因是信号接收条件不好比如室内遮挡、高架遮挡、高楼遮挡。在开阔地带无法定位一般是设备Bug重启设备后一般都能解决。
卫星定位未来展望
随着移动用户量持续增长以及物联网的大范围普及卫星定位技术还会持续快速发展。
在卫星侧将出现低轨定位卫星距地面几百公里。传统上的定位卫星由于要覆盖较大的地理范围高度一般都比较高运行在中轨轨道上。随着火箭发射技术的革命卫星发射成本急剧下降向太空发射大批量低成本卫星的方案成为可能。比如spacex已经发射了上千颗“星链”卫星。
低轨卫星进行定位有几个好处 距离近信号更强设备侧接收到的卫星信号更好。 可以传输更多的数据比如各种修正数据。 位于电离层底部电离层误差小。 卫星仰角变化快PPP定位可以更快收敛。
在设备侧高精定位将大范围普及华为P40是首个支持RTK的智能手机可以做到0.5米的精度。高通也即将发布支持RTK的移动芯片在2021年上半年更多支持RTK的智能手机将会上市。
在应用侧高精定位的应用场景会不断涌现现在的一些典型应用场景包括 传统测绘 精准农业机械化自动化种植和收割 车道级导航和自动驾驶 共享单车的精准停放 无人机导航
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