自動(dòng)駕駛高精定位的PPP-RTK可行的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

01

PPP-RTK

PPP的定位精度、實(shí)時(shí)性在一眾專家的努力下，有了長(zhǎng)足進(jìn)步。但是，由于受相位偏差、對(duì)流層和電離層延遲等各種殘余誤差的影響，PPP固定解初始化時(shí)間仍沒(méi)有多大改善，少則也需要20分鐘左右才能實(shí)現(xiàn)固定。

為了進(jìn)一步改善實(shí)時(shí)PPP定位的精度、可靠性和時(shí)效性，德國(guó)GEO++公司Wübbena博士等人在2005年首次正式提出了PPP-RTK的概念，其基本思想是融合PPP和RTK兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用已經(jīng)建立起來(lái)的密集基準(zhǔn)站設(shè)施，精化求解相位偏差、對(duì)流層和電離層延遲等參數(shù)，重新生成各類改正信息，并單獨(dú)播發(fā)給流動(dòng)站使用，以此解決常規(guī) PPP定位中非差模糊度的快速固定難題，從而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確定位。

PPP-RTK的一種可行的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 PPP-RTK的一種可行的系統(tǒng)架構(gòu)

與PPP架構(gòu)最顯著的區(qū)別是，地面主控站與流動(dòng)站之間多了一條通信鏈路，而這條鏈路讓PPP-RTK具有如下兩大特點(diǎn)，一是極大地提高了PPP定位的精度和收斂的速度，二是拓展了網(wǎng)絡(luò)RTK的服務(wù)范圍。

PPP-RTK從觀測(cè)值層面實(shí)現(xiàn)PPP與RTK的“緊組合”，以一種更優(yōu)雅的方式解決了RTK“依賴于密集基準(zhǔn)站資源，當(dāng)多個(gè)CORS系統(tǒng)間存在覆蓋盲區(qū)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)服務(wù)”的問(wèn)題。這意味著在基準(zhǔn)站覆蓋的區(qū)域，PPP-RTK和RTK相差不大，但是在基準(zhǔn)站無(wú)覆蓋的區(qū)域，PPP-RTK可以降級(jí)為PPP使用，獲得不俗的定位精度。

這樣的特性恰好是自動(dòng)駕駛功能完好性功能安全層面所期待的：

（1）功能完好性：PPP-RTK的各類改正數(shù)是分開(kāi)解算的，可以獨(dú)立評(píng)估，從而較容易實(shí)現(xiàn)完好性監(jiān)控，更能夠匹配智能駕駛在功能安全方面的需求；

（2）功能安全：讓失效變得緩慢，緩慢地讓車內(nèi)用戶有時(shí)間接管，緩慢地讓最小風(fēng)險(xiǎn)策略可以從容地執(zhí)行。

但是PPP-RTK畢竟還是丟掉了PPP定位不依賴于密集基準(zhǔn)站的支持這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如何在不采用基準(zhǔn)站來(lái)增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)非差模糊度的快速初始化，是業(yè)界面臨的共同難題，也是PPP-RTK/PPP未來(lái)研究的重點(diǎn)。

下面匯總PPP、RTK、PPP-RTK三者之間的性能對(duì)比，如表1所示。

表1 PPP、RTK、PPP-RTK三者之間的對(duì)比

02 PPP-RTK服務(wù)介紹 ? 一、國(guó)外

（1）Hexagon/NovAtel——TerraStar服務(wù)

說(shuō)起Hexagon，行業(yè)內(nèi)很多人可能要反應(yīng)個(gè)幾十秒，但提到NovAtel，估計(jì)很多人會(huì)脫口而出：這不就是那個(gè)一套接收機(jī)賣十幾二十萬(wàn)的公司嗎！

NovAtel，這樣一家，創(chuàng)造了衛(wèi)星定位和校正技術(shù)先河的先驅(qū)公司，2008年以3.9億美元賣給了Hexagon，這在當(dāng)時(shí)讓很多人唏噓不已。

TerraStar服務(wù)是Hexagon/NovAtel基于全球100多個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，提供的全球高質(zhì)量實(shí)時(shí)改正服務(wù)，該服務(wù)提供的改正信息通過(guò)5顆地球同步衛(wèi)星（L波段）或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播傳輸，根據(jù)其作用范圍和性能，可分為TerraStar-L、TerraStar-C、TerraStar-C PRO與TerraStar-X服務(wù)。

TerraStar-C PRO是Hexagon/NovAtel首次采用其新開(kāi)發(fā)的RTK from the sky精密單點(diǎn)定位技術(shù)的全球改正服務(wù)，可提供包括更高采樣率的衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差改正等信息，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)模糊度的快速整數(shù)固定。

TerraStar-C PRO改正服務(wù)，官方介紹具有厘米級(jí)定位精度、最快3分鐘實(shí)現(xiàn)收斂以及全球范圍可用等優(yōu)勢(shì)，是目前世界上收斂時(shí)間最短的全球改正服務(wù)。

而TerraStar-X是在TerraStar-C PRO基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的區(qū)域改正服務(wù)，相較于后者的全球可用性，TerraStar-X側(cè)重在區(qū)域性運(yùn)用（主要為美國(guó)部分地區(qū)），可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度和優(yōu)于1分鐘的收斂時(shí)間。

TerraStar各項(xiàng)服務(wù)精度指標(biāo)如表2所示。

表2 TerraStar各項(xiàng)服務(wù)精度指標(biāo)

（2）Trimble——RTX Fast服務(wù)

Trimble公司成立于1978年，RTK接收機(jī)之父Javad Ashjaee在這里搞出了全世界第二個(gè)商用接收機(jī)4000A，RTK算法之父Benjamin Remondi也在這里挑燈夜戰(zhàn)過(guò)，他們共同成就了Trimble在20世紀(jì)末到21世紀(jì)初這段時(shí)間在衛(wèi)星定位領(lǐng)域的霸主地位。

Trimble在2011年推出星基增強(qiáng)系統(tǒng)，2015年升級(jí)了區(qū)域電離層模型，支持現(xiàn)在常說(shuō)PPP-RTK定位，其相對(duì)常規(guī)的PPP定位最大優(yōu)點(diǎn)就是收斂時(shí)間短、固定快，所以取了個(gè)名字叫RTX Fast。

RTX Fast利用全球監(jiān)測(cè)網(wǎng)來(lái)計(jì)算精確的衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差，并將改正信息實(shí)時(shí)通過(guò)地球同步衛(wèi)星（l波段）或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播，移動(dòng)站收到改正信息后進(jìn)行位置估計(jì)，具體采用的策略包括如下幾條。

（a）用數(shù)學(xué)模型精確地模擬誤差源，或者使用全球或者區(qū)域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差估計(jì)。

（b）衛(wèi)星軌道誤差沒(méi)有在全球或區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中建模，因?yàn)槭褂肨rimble實(shí)時(shí)精確軌道或IGS超快速軌道產(chǎn)品可以更好地對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行建模。

（c）區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中建立衛(wèi)星鐘差模型，以吸收區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的剩余軌道誤差。

（d）其他偏差則估計(jì)為小數(shù)部分，以保持載波相位觀測(cè)值的整數(shù)特性。

（e）RTX Fast服務(wù)器平均化處理來(lái)自基準(zhǔn)站的載波和偽距觀測(cè)的多路徑和測(cè)站噪聲。

（f）RTX Fast生成的產(chǎn)品和改正信息以Trimble的CMRx壓縮數(shù)據(jù)格式，通過(guò)地球同步衛(wèi)星L波段或網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。

（g）移動(dòng)通過(guò)接收衛(wèi)星/網(wǎng)絡(luò)廣播的RTX Fast校正信息，并與所有其他GNSS衛(wèi)星信號(hào)一起，實(shí)時(shí)計(jì)算其精確位置。

以上策略也讓RTX Fast可以實(shí)現(xiàn)2-50cm水平定位精度、5cm的垂直定位精度，同時(shí)快速模式下收斂時(shí)間優(yōu)于1分鐘，而常規(guī)模式下收斂時(shí)間優(yōu)于20分鐘。

（3）u-blox——PointPerfect服務(wù)

u-blox是車載衛(wèi)星定位芯片和模組領(lǐng)域的出貨量霸主，其主機(jī)廠朋友遍布世界各地，其為瑞士的高福利立下了汗馬功勞。

PointPerfect是u-blox面向大眾應(yīng)用推出的GNSS增強(qiáng)數(shù)據(jù)服務(wù)，可通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)或網(wǎng)絡(luò)向流動(dòng)站廣播，并使流動(dòng)站在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10厘米的定位精度。

PointPerfect采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPARTN消息格式，輔以輕量級(jí)和安全的MQTT物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，使其成為一個(gè)實(shí)時(shí)高效、低帶寬、高性價(jià)比的解決方案，非常適合于大眾市場(chǎng)應(yīng)用。

PointPerfect服務(wù)范圍覆蓋歐洲和美國(guó)大陸區(qū)域，包括距離海岸線12海里（約22公里）以內(nèi)的區(qū)域。目前僅支持增強(qiáng)GPS（L1C/A，L2，L2C，L5）、Galileo（E1、E5a/b）和GLONASS（G1 C/A，G2 C/A）系統(tǒng)。

PointPerfect主要提供以下兩類產(chǎn)品。

（a）衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、硬件延遲偏差：其中衛(wèi)星鐘差的更新間隔為5s，衛(wèi)星軌道和硬件延遲的更新間隔為30s。

（b）大氣改正產(chǎn)品：包括VTEC模型、傾斜電離層延遲改正和天頂對(duì)流層延遲改正，其更新頻率同樣為30s。

在GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)粗差、數(shù)據(jù)接收完整且有連續(xù)的改正數(shù)據(jù)且模糊度正確固定的情況下，PointPerfect在水平方向定位精度可以達(dá)到3-6 cm（95%置信區(qū)間）。而模糊度的初始化時(shí)間則會(huì)隨電離層活動(dòng)而變化，一般小于30 s。

（4）QZSS——CLAS服務(wù)

準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）是日本政府在2002年授權(quán)建立，2018年正式開(kāi)始工作的一個(gè)區(qū)域增強(qiáng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

QZSS目前采用三顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）?和一顆地球同步軌道衛(wèi)星（Geosynchronous Orbit，GEO）衛(wèi)星組成。

由于日本國(guó)土位于中高緯度地區(qū)，這樣衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)使得在任意時(shí)刻能保證至少有1顆衛(wèi)星能位于該國(guó)天頂方向（高度角大于60），所以被稱作準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)。

QZSS基于L6頻段上的L6D信號(hào)播發(fā)增強(qiáng)信息，實(shí)現(xiàn)PPP-RTK增強(qiáng)服務(wù)——CLAS（Centimeter Level Augmentation Service）。L6D增強(qiáng)信息可以通過(guò)兩種方式獲得，一是通過(guò)支持CLAS的接收機(jī)接收，二是可以在QZSS官方網(wǎng)站上下載事后的增強(qiáng)電文。

CLAS服務(wù)范圍為日本境內(nèi)，在日本境內(nèi)將服務(wù)分為12個(gè)網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)范圍及12個(gè)網(wǎng)絡(luò)分布如圖2所示。

圖2 QZSS服務(wù)范圍及網(wǎng)絡(luò)分布

地面基準(zhǔn)站網(wǎng)由日本境內(nèi)的1300多個(gè)CORS中的212個(gè)組成，站點(diǎn)間的間隔約為60 km。這些基準(zhǔn)站的主要作用是接收GNSS衛(wèi)星的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心,數(shù)據(jù)處理中心通過(guò)網(wǎng)解得到衛(wèi)星的軌道、鐘差、碼偏差、大氣等信息，并將這些數(shù)據(jù)注入衛(wèi)星或通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)播發(fā)給用戶，用戶接收到這些改正信息后即可進(jìn)行PPP-RTK定位。在進(jìn)行數(shù)據(jù)播發(fā)時(shí)，電離層和對(duì)流層均以格網(wǎng)的形式播發(fā)。

目前CLAS服務(wù)僅支持GPS（L1C/A，L1C，L2P，L2C，L5）、Galileo（E1B，E5a）和QZSS（L1C/A，L1C，L2C，L5）系統(tǒng)，未來(lái)將支持GLONASS和BDS系統(tǒng)。

在所有被增強(qiáng)的衛(wèi)星都用于PPP-RTK定位、沒(méi)有周跳的衛(wèi)星數(shù)大于等于5、衛(wèi)星截止高度角設(shè)為15度等條件滿足后，CLAS服務(wù)可達(dá)到的定位精度如表3所示。模糊度固定時(shí)間在95%置信區(qū)間一般小于等于60s。

表3 CLAS服務(wù)定位精度

二、國(guó)內(nèi)

國(guó)內(nèi)染指PPP-RTK領(lǐng)域的有千尋位置、六分科技、大有時(shí)空、時(shí)空道宇等，各家產(chǎn)品各有千秋，下文基于官網(wǎng)信息簡(jiǎn)介幾個(gè)產(chǎn)品。

（1）六分科技

2023年4月18日，六分科技在上海車展期間發(fā)布PPP-RTK新品“星璨”，產(chǎn)品架構(gòu)如圖9所示。

圖9 六方科技PPP-RTK新品“星璨”

官網(wǎng)只介紹了其具有實(shí)施車道級(jí)定位、億級(jí)用戶并發(fā)、適配車規(guī)級(jí)芯片、功能安全、高連續(xù)性、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，但具體性能參數(shù)如何，未對(duì)外公布。

（2）大有時(shí)空

2023年1月4日，大有時(shí)空正式發(fā)布PPP-RTK產(chǎn)品，官方介紹產(chǎn)品定位精度可達(dá)2cm，收斂速度可達(dá)30秒。

目前有兩種模式為終端用戶提供高精度定位服務(wù)，一種是大有時(shí)空定位平臺(tái)通過(guò)賬號(hào)直接播發(fā)給終端用戶，二是大有時(shí)空定位服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)至戰(zhàn)略合作伙伴播發(fā)服務(wù)平臺(tái)，由合作伙伴服務(wù)平臺(tái)播發(fā)給終端用戶。

而通過(guò)和?？怂箍导瘓F(tuán)合作（海克斯康負(fù)責(zé)北美、歐洲的CORS網(wǎng)建設(shè)和數(shù)據(jù)中心的獨(dú)立運(yùn)維，大有時(shí)空負(fù)責(zé)中國(guó)的CORS網(wǎng)建設(shè)和數(shù)據(jù)中心的獨(dú)立運(yùn)維），大有時(shí)空的PPP-RTK產(chǎn)品可為全球用戶提供服務(wù)。

（3）時(shí)空道宇

提到時(shí)空道宇，就不得不提“一箭九星”，2022年6月2日，吉利未來(lái)出行星座首軌九星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心以一箭九星方式成功發(fā)射。

根據(jù)時(shí)空道宇的技術(shù)說(shuō)明，此次發(fā)射的九顆衛(wèi)星，搭配時(shí)空道宇已經(jīng)建設(shè)完成的地基PPP-RTK時(shí)空信息網(wǎng)絡(luò)，以及北斗三號(hào)模組、終端產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)遙感、導(dǎo)航、通信技術(shù)的融合應(yīng)用，為未來(lái)出行提供立體化保障。

所以時(shí)空道宇PPP-RTK產(chǎn)品的與其他產(chǎn)品的最大不同將是：擁有自己的播發(fā)衛(wèi)星，而其他家只能租用播發(fā)衛(wèi)星。

03 寫(xiě)在最后

技術(shù)收斂是技術(shù)大規(guī)模落地的前提，真心期望PPP-RTK能盡快統(tǒng)一高精定位領(lǐng)域，為自動(dòng)駕駛的量產(chǎn)落地貢獻(xiàn)一份力量。

編輯：黃飛

?