高精度定位解决方案|厘米级定位解决方案|GPS北斗定位精度是多少

2022-03-10


1、高精度定位一般用在什么场景

 

通常我们说GPS北斗,基站,WIFI,室内定位的定位精度,都是有条件的。

达盟GPS小编这里主要讲GPS北斗的高精度定位。

GPS北斗的普通定位精度我们一般说单频的在5米左右。这个5米的精度也是有条件的,必须在空旷的场景,周围没有高楼大树的遮挡。有高楼大树的遮挡,普通定位器的精度会在20-50米左右。就算静止放在一个地方,也会出现漂移,上报的位置也会变化,漂移的距离在几十米是经常的。假设不考虑GPS硬件性能问题,静漂是因为星历的变化或者某个强折射信号参与了定位或者天气原因导致的,是GPS定位器定位难题之一,必须使用软件过滤。运动也会产生漂移(可以称之为动漂),概率会小很多。 

普通精度的GPS定位器在我们日常大部分的场景都是够用的,比如手机的定位,车队管理,货物跟踪,人员定位,宠物定位,共享单车定位等等。因为定位在5米,10米,这些东西基本都能找到了。那么高精度定位有什么用呢?

我们这里把定位在1米以内,厘米级,毫米级的定位,称为高精度定位

自动驾驶精度越高越好,厘米级是必须的,不能因为定位不准跑到其他车道把?

现在很多农业自动化机械,比如耕地,收割,都是需要厘米级定位的,否则耕的路线都不是一条直线,收割也会把庄稼践踏了,自动化就没有意义了。



测绘地图必须要高精度定位,这个大家都理解。

检测山体滑坡,水坝变现这个都必须是毫米级精度的。

还有一些物品定位摆放,需要高精度定位摆放,会节省很大空间。

现在流行的无人机编队表演,也是高精度RTK技术实现的,否则就会撞击,图像也无法做到想画啥就画啥,参考达盟GPS小编的文章《无人机编队表演原理|无人机表演失败原因分析|RTK在无人机表演中的应用》。。。。。。

所以,高精度定位在很多行业都有着广泛的刚需。

那么,高精度定位怎么实现呢?

高精度定位,有2种大的类型(单点定位和差分定位),实现的方法有很大分别。下面达盟GPS小编分别介绍一下。

 

2、单点高精度定位

 

(1)什么是单点定位

 

单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,就是说不使用网络进行差分定位。单点定位普通单频方式精度可达5米左右,双频方式精度可达2米左右。多频单点定位精度可以到1.5米左右。这种精度也是在开阔无遮挡的环境下才能达到。

 

(2)单点高精度定位

 

我们一般把亚米级别的定位成为高精度定位。单点高精度定位就是不使用差分方法的高精度定位。

 

(3)单点高精度定位的硬件实现

 

单点高精度定位对设备硬件的要求很高,主要有定位芯片,放大匹配电路(LNA+SAW等),,GPS北斗天线这几部分。

 

 定位芯片与定位模组

 

定位芯片厂家主要就是ublox,MTK,中科微,泰斗,华大等厂家。GPS北斗定位芯片产品手册给出的定位精度一般是我们做出整机产品获得的最佳效果定位效果了。我们来看主流的单频定位芯片手册的数据:ublox的8030数据是CEP(50%的概率) 2米,中科微的AT6558也是2米(CEP)。


基于定位芯片,加上LNA,SAW,匹配电路,做成PCBA,或者加入DR等其他芯片,封装成模块,我们就称之为定位模块(定位模组)。对整机厂家来说,使用模块不用调试定位芯片传导、匹配等性能,大大节省了整机厂家的研发周期(使用模块成本会比使用芯片高些)。因此很多芯片厂家也出模块,还有一些专门做模块的公司,比如移远,广和通,SIMCOM等。这些大公司很多都是上市公司,研发实力雄厚,做的模块一般经过ROSH,CE,FCC等认证,大都是经得起市场考验。比如移远的GNSS模块,如下图。



 

我们看到双频模块定位精度,可以达到1米(CEP),这些测试数据都是在空旷,长时间静止,使用最佳硬件环境下测试出来的。一般芯片厂家、模块厂家都会把数据写的最好看,在最佳硬件和测试环境下得到的数据,我们车载整机厂家做出来,肯定没有这么好,因为我们的设备一般体积要求要小,天线一般都只能用普通的陶瓷天线,而且是内置天线。

 

 GPS北斗天线

 

天线也是定位中重要的一个环节。根据是否需要供电分有源,无源天线。有源天线因为多一级LNA放大所以比无源天线效果更好。根据频段不同分单频/双频/多频天线。根据极化方向上分又分线性极化(手机上很多用这种),圆形极化(GPS信号是圆形极化的,我们用的陶瓷天线都是圆形极化的)等。还有根据形态和行业分类的比如四臂螺旋式天线(Quadrifilar Helix Antenna ),测量天线,扼流圈天线等。一般测绘用的天线性能是最好的。




下面我们看一下基于多频多模,测量天线做的GPS北斗定位设备的定位精度如何:

 

 

设备是华测的i70II,可以看到,单点定位,多模多频,用最好的天线,精度也就是在1.5米左右。这基本上是在不使用差分或者其他网络校正的条件下最好的性能了。

 

4)PPP定位技术

 

对于单点高精度定位,还有一个技术叫PPP,精密单点定位技术(precise point positioning,PPP)采用单台GNSS接收机,利用国际GNSS服务组织(International GNSS Service,IGS)提供的精密星历和卫星钟差,基于载波相位观测值可实现毫米至分米级高精度定位。

PPP一般通过网络或者卫星获取修正数据,单点定位在全球获得高精度的方法。PPP现在已经有很多服务商,基本都需要收费。相对于RTK的OSR(Observation Space Representation观测域修正),PPP属于SSR(State Space Representation状态域修正)。很多服务商能提供30秒左右的厘米级定位了。比如ublox的PointPerfect服务(PPP-RTK技术)。见下图:


 

中国的北斗在几个GEO卫星B2b频段也播发PPP-B2b信号了,芯片厂家和芯星通UC9810支持支持 B2b-PPP,水平精度:10 cm,高程精度:20 cm(收敛时间 10 min)。

未来,PPP定位技术会逐步普及,单点厘米级定位会在普通应用场景得到普及。


 

总体来说,在没有任何差分和修正数据的情况下,双频和多频定位,比单频定位可以很好地减小电离层误差,减小多径误差,减小复杂环境下卫星数量少造成的几何构型误差,所以在信号比较差的条件下,可以获得更好的定位效果。

 

3、差分高精度定位

 

(1)什么是差分定位

 

差分定位DGPS Differential GPS):一个或多个安装在已知位置点上的GPS接收机作为基准站接收机,通过基准站接收机对GPS卫星信号的测量而计算出差分校正量,然后将差分校正量播发给位于差分服务范围内的用户接收机,从而减少甚至消除卫星时钟误差、星历误差、电离层误差、对流程误差,以提高用户接收机的定位精度的方法

 

(2)差分定位的分类

 

① 根据基站发送差分校正的目标参量区分

 

根据基站发送差分校正的目标参量不同,差分GPS可主要分为位置差分(对定位器要求必须跟基站的算法一致,星座一致,所以比较难使用,基本很少用了)、伪距差分RTD精度可到亚米级别)、以及载波相位差分RTK精度可达毫米,现在是主流)。

RTK和RTD的介绍,详情可以参考达盟GPS小编的文章《GPS精确定位的RTK与RTD技术比较》。

自己建基站,可以省了给运营差分服务的费用,基站与用户终端之间的距离越近,定位越准,一般有效范围是20公里。

为了实现更广的覆盖,现在出现了CORS(连续运行参考站,Continuously Operating Reference Station),CORS建立一个庞大的基准站网络(目前移动建了4400+基准站,千寻2800+基准站,腾讯2000+基准站),并通过互联网传输这些基准站的校准信息,用户只需要登录帐号(收费)即可获得这些信息并进行校准。因为有更多的基准站,精度也有所提高,也实现了全国各主要城市的覆盖。

 

 根据系统所服务的地理方位来分

 

根据系统所服务的地理方位来分,差分GPS通常分为局域,区域和广域三大类,他们拥有不同长度的基线距离。

 

上面介绍都是在地面建设基站,属于局域或者区域差分。又叫地基增强系统。地基增强的精度虽然很高,但覆盖范围却有一定限制。定位目标必须处在通信信号覆盖的范围之内,在通信信号难以覆盖的高空、海上、沙漠和山区,则形成了大范围的定位盲区。因此,星基增强的需求出现了。

 

把差分数据从卫星上播发的系统叫星基增强系统SBAS,Satellite-Based Augmentation System),一般使用GEO卫星发布,一颗卫星理论可以覆盖地球三分之一的面积。这种精度会差一些,但随着技术的不断升级,现在也有能精确到厘米级别的了(厘米级一般收敛的时间都比较长,静态20分钟左右,动态米级就很快),比如美国StarFire,美国OmniStar,英国Veripos,日本QZSS,中国的千寻位置和中国精度。美国的WAAS,欧洲的EGNOS、日本的MSAS、印度的GAGAN这些SBAS主要是给航空用的,动态米级。

可以参考达盟GPS小编整理的文章《高精度GPS定位的技术实现方法--地基增强系统与星基增强系统》。

 

4、测绘级顶配产品的定位精度,手机的定位精度,普通车载定位器的定位精度

 

下面是司南的T50测绘级别的产品,7星30频,并行通道1198个,支持RTK,PPP,SBAS,带惯导,基本是顶配的高精度定位产品了。我们看单点定位精度可以到1米左右,SBAS星基差分精度也可以到1米左右,RTK精度在8mm左右。


 

这些测绘级的产品(一般价格都是几万起步),顶配的芯片,顶配的天线可以做到的精度,比我们车载行业的GPS北斗产品精度高几个量级。车载GPS北斗定位器一般要求体积小,天线基本是陶瓷的内置天线,定位精度肯定要比测绘级的低很多。手机因为体积限制,GPS北斗天线都是线性极化的,干扰源更多,更难做到高精度定位。

 

我们现在用手机的定位精度也是5米左右(一般都是单频多模的),导航基本够用了。

华为号称全球首发,推出了亚米级车道定位手机。现在已经很多款支持的,下边举Mate40为例。

华为Mate40支持的频段算是比较多了(支持蜂窝网络定位 / WLAN网络定位/ GPS(L1 + L5 双频)/ AGPS / GLONASS / 北斗(B1I + B1C + B2a 三频)/ 伽利略(E1 + E5a 双频)/ QZSS(L1 + L5 双频)/ NavIC),主要集中在L1,L5频段算双频手机吧,但他的米级车道定位也需要用RTK才行。若不用RTK,也只能在3米左右的精度了。这是手机定位现阶段定位最好的产品系列了。


 

 


一般车载定位器单频单点定位精度在5米左右,单频RTK可以到20cm左右的精度。双频单点定位精度在2-3米左右,双频RTK精度可以到10cm左右。达盟科技针对客户的需求,也定制过几款高精度定位产品,可以参考《深圳市达盟科技有限公司》的网站上的高精度定位产品。