高精度定位 | 大普時鐘解決方案

高精度定位技術是當今科技領域重要研究方向之一。在物聯網時代，幾乎所有的應用場景都與位置信息服務有關，尤其是對于移動物體，定位需求更為重要，因此定位技術受到了廣泛的關注。

提起定位，大家都會想到GNSS（全球衛星導航系統）定位。GNSS（Global Navigation Satellite System）是多個衛星系統的總稱，包括中國的北斗BDS、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、日本的QZSS和印度的IRNSS。 GNSS定位基本原理 GNSS衛星以導航電文形式發送星歷參數和時間信息，用戶接收機跟蹤測量衛星信號，通過信號在空中傳播時間和速度，計算出用戶接收機到GNSS衛星的距離，基于衛星的星歷計算出GNSS衛星的空間瞬時坐標，根據距離空間交會的方法，推算出用戶接收機的空間三維坐標（x,y,z）。 用戶接收機時鐘源存在鐘差，是影響定位精度主要誤差之一，為此引入鐘差△tj，所以需要至少接收4顆衛星才能推算出用戶接收機的位置坐標。

圖1?GNSS定位基本原理

(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=(ρ1+△ρ1+△ρ2+?C?△tk- C?△tj)2

(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2=(ρ2+△ρ1+△ρ2+?C?△tk- C?△tj)2?

(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2=(ρ3+△ρ1+△ρ2+?C?△tk- C?△tj)2?

(x-x4)2+(y-y4)2+(z-z4)2=(ρ4+△ρ1+△ρ2+?C?△tk- C?△tj)2?

(xi，yi，zi) ：衛星坐標（i=1，2，3，4）；

(x，y，z) ：接收機坐標，未知；

△tj：接收機鐘差，未知；

△tk：衛星鐘差，可修正（k=1，2，3，4）；

C：光的傳播速度；

ρi：接收機實際測得的偽距（i=1，2，3，4）；

△ρ1：電離層延遲誤差，可修正；

△ρ2：對流層延遲誤差，可修正。

從上面公式可知，接收機時鐘源穩定度直接影響定位測算精度，接收機時鐘源穩定度越高，測算出接收機位置精度也越高。 GNSS數據誤差 衛星下發的信號到達用戶接收機，經過電離層、對流層、反射物，最終抵達用戶接收機，而并非通過真空直達，因此接收機測量結果與其真實的位置有一定差距，稱為偽距。

圖2 GNSS誤差來源

GNSS數據誤差可分為四類:與衛星有關的誤差、與信號傳播有關的誤差、與接收機有關的誤差以及與地球轉動有關的誤差。

表1?GNSS誤差來源

1、衛星星歷誤差 由星歷給出的衛星位置與衛星實際位置之差稱為衛星星歷誤差。衛星采用原子鐘作為基準時鐘源，衛星星歷誤差主要由衛星鐘差、頻偏、頻漂等產生。

改進措施包括忽略軌道誤差、通過軌道改進法處理觀測數據、采用精密星歷和同步觀測值求差等方法。

2、電離層延遲誤差 由于大氣層中的中性分子受太陽輻射的影響發生電離，產生大量的正離子與電子，電磁波的傳輸速率與電子密度有關，因此真空中電磁波的傳播速度乘以信號傳播時間得到的距離，與衛星和用戶接收機間的真實幾何距離不相等，誤差范圍可達50m~150m。

改善措施包括雙頻觀測、電離層模型輔助修正和同步觀測值求差等方法。

3、對流層延時誤差

由于氣候、大氣壓力、溫度、濕度等變化，電磁波在對流層傳播速度和路徑都會受到影響，誤差范圍可達2.3m~20米。 改善措施包括數學模型、參數、同步、測量等方法。

4、多徑效應誤差 衛星信號下發給接收機，通過不同路徑直達或經過反射物抵達用戶接收機，信號相互疊加產生干擾，使原信號失真、誤碼、信號衰落，稱之為多徑效應，也是衛星定位的主要誤差源之一。

改善措施包括接收機選址、天線設計、天線極化等方法削弱該誤差。

5、接收機誤差 接收機的誤差主要來自時鐘源鐘差、頻偏、頻漂等，造成測算定位不準確，也是主要誤差源之一。

改善措施包括采用高穩晶振做接收機本振時鐘源、改進接收機電路設計等方式消除誤差。

GNSS定位技術由于受到衛星鐘差、電離層、對流層、多徑效應、用戶接收機鐘差等影響，測算得到偽距誤差范圍在米級，無法滿足自動駕駛等應用場景高精度定位需求。如何提高定位精度呢？可以采用差分GNSS定位技術。 差分GNSS定位基本原理 在位置已精確測定的已知點上配一臺基準站，和用戶（移動站）同步進行GNSS觀測，將得到的單點定位結果與基準站坐標比較，求解出實時差分修正值。

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圖3?差分GNSS定位基本原理

差分GNSS定位可分為位置差分、偽距差分和載波相位差分。其中，載波相位差分基于實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法，定位精度達到厘米級甚至毫米級。

載波相位差分：又稱RTK（Real-time Kinematic）實時動態載波相位技術，即將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標。由于載波的精度遠高于其內容（C/A碼速率是1.023MHz，一個碼的長度為977.5ns，即293m，而載波的速率是1575.42MHz，一個載波的長度是635ps，即19cm）。因此，載波相位差分可使定位精度達到厘米級甚至毫米級，廣泛應用于移動站需要高精度定位的領域。常用的RTK定位技術分為常規RTK和網絡RTK。 常規RTK 常規RTK定位系統包括：基準站、數據中心、數據通信網、移動站?；鶞收就ㄟ^數據鏈路將自己所獲得的載波相位觀測值及站坐標實時播發給在其周圍工作的移動站，移動站通過動態差分定位的方式，確定移動站相對于基準站的位置，并根據基準站的坐標得到自身的瞬時絕對位置。?

圖4?常規RTK組網

基準站和移動站接收機時鐘源穩定度越高，鐘差越小，測算位置精度也越高。 常規 RTK定位技術雖然可以滿足很多應用的要求，基于電離層、對流層延遲誤差在一定范圍內具有一致性，所以移動站與基準站的距離不能太遠，定位精度可達分米級。網絡RTK 網絡RTK定位系統包括：基準站網、數據處理中心、數據通信網絡和移動站。其中基準站網由若干個基準站組成，每個基準站都配備有雙頻全波長GNSS接收機、數據通信設備等設備，通過長時間GNSS靜態相對定位等方法，可以精確得到基準站的坐標，基準站GNSS接收機按一定采樣率進行連續觀測，通過數據通信網絡將觀測數據實時傳送給數據處理中心，數據處理中心對各個站的數據進行預處理和質量分析，然后對整個基準站網的數據進行統一解算，實時估計出網內的各種系統誤差的改正項(電離層、對流層和軌道誤差)，建立誤差數學模型。?

圖5 網絡RTK組網

基準站數量越多，接收機時鐘源穩定度越高，數據中心建立誤差數學模型越精準。同樣，移動站接收機時鐘源穩定度越高，測算定位精度越精準。 網絡RTK技術與常規RTK技術相比，覆蓋范圍更廣、成本更低、定位精度更高、用戶定位的初始化時間更短，定位精度可以達到厘米級。 目前，高精度定位已廣泛應用于導航定位、自動駕駛、智慧公交、車聯網、車輛監管、智慧高速、道路安全監管、網約車監管、鐵路監測、智能停車、智慧港口、智慧礦山、無人機植保、無人機航測、無人機物流、無人機監測、測量測繪、電網巡檢、人員定位、橋梁監測、危房監測、可穿戴設備、高精度手機定位等領域。

從前面GNSS+RTK定位原理不難理解，基準站和移動站接收機時鐘源鐘差是高精度定位誤差的主要來源之一?；鶞收緯r鐘源穩定度越高，數據中心建立誤差數學模型越準確；同時，移動站時鐘源穩定度越高，結合誤差數學模型修正量，最終測算自身定位精度也越高。 高精度定位應用越來越廣泛，據GSA數據統計，GNSS設備預計2029年將達到28億臺。我們每個人都擁有一部手機，我們日常生活離不開手機定位業務，平均每人至少有1臺GNSS電子產品，未來這是一個海量市場。與此同時，對時鐘源要求也越來越高，不僅要求高穩定度、低相噪，同時也要求小型化、低功耗、低成本。

大普高穩時鐘源產品，賦能高精度定位全方位解決方案 大普在時頻領域深耕近20年，提供全系列高穩時鐘源產品，包括：高穩時鐘模組（Clock Module）、恒溫晶振（OCXO）、溫補晶振（TCXO）等系列，具有高精度、低相噪、低功耗、小尺寸、寬溫區、高抗震、快啟動等特點，關鍵性能指標位于國際領先地位，產品全部自主研發，從設計、制造、工藝、自動化測試等全部實現國產化、自主可控，為高精度定位應用提供全方位解決方案。