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未来高精度GNSS接收机设计,并不止于精度

来源:北斗时空

  传统的用户,如大地测量和地图测绘应用,他们是最早采用GNSS技术设备的,而且在使用过程中,创造了多种多样的应用模式和数据处理方法,获得了巨大的成功,至今还保持着相当大的细分市场。测量要求的是高精度,目前厘米级定位已经很成熟,对于制造厂商来说,功耗与物理尺寸大小要求是最为重要的。而制图应用的用户要求的不仅仅是位置,同时要求有与接收机共同工作的照相机或者传感器的航向与其它参量。


  一旦精度问题有所缓解,泛在可用性问题就明显突出出来。因为GNSS设备并不是一直保持在开阔空间工作,众多的应用需要在许多挑战性环境条件下,能够精确定位,因此与GNSS不分彼此的类似导航技术,成为备份互换技术。这些新的用户可能在闹市、农村、矿山,也可能在地面、空中,位置精度只是他们需求的一部分。由此可见,在精度满足的情况下,更多的需求,如实时质量控制和定位解的完好性监测,逐步变得同样重要。


   GNSS多系统、多频率为接收机厂商提供了巨大的商机,同时也提出了明显的挑战。多系统多频率原先是给厂商提供了高精度产品的差异化和更新换代升级机会,而在新一代GNSS接收机中,在相对稳定的星座情况下,接收机将全视野地接收跟踪所有的可见卫星信号。多系统多频率和现代化信号结构公开化的好处,是显而易见的,能够保证在挑战环境条件下,如在闹市区、矿山非开阔区,以及森林植被覆盖地区,增强定位的牢靠性,同时可以在高电离层活动条件下,能够增加大气效应的精确估算能力,并拓展RTK基线的服务范围,为此用户强烈期盼新一代GNSS接收机。


   所有的这些必须的性能改进,都需要在接收机设计上做重大改变。跟踪四大全球系统和一系列区域星基增强系统(SBAS)信号,极大地增加了跟踪和定位中间件与算法的复杂性,跟踪多频率和不同星座系统的各异的信号类型,势必极大地增加了信道的数量。因此在制造厂商制作接收机芯片的过程中,增加了专用集成电路(ASIC)复杂性和难度,同时抬升了其价格、功耗和物理尺寸。其中某些因素可以通过利用小的处理几何学、嵌入式处理器和外围件,与RF芯片集成加以缓解,同时还需要考虑所有这些信号对于下游段的影响。


   潜在的高精度GNSS用户与传统的高精度用户相比,有很多不同的应用需求。新的用户需求已经不是单一的定位,而是导航应用所经历的时空动态环境,且往往是自动,或者半自动的情况。必须跟踪所有GNSS的可见信号,包括每个卫星每个信号的跟踪子系统产生的码(伪距)、载波相位和多普勒测量值,多个全球系统和区域系统与多个频率信号,产生的数据量相当大,这些测量值最终实现定位解,中间从码定位到实时动态(RTK),直到精密单点定位(PPP),需要通过不同的定位算法,加以实现。跟踪所有信号的结果,然后利用来自于定位引擎大量的输入,推动接收机需要批处理和存储能力的需求,而这些均导致接收机的物理尺寸大小、价格和功耗增加,恰恰与用户的期望背道而驰。如何解决这一对矛盾,正是接收机设计者要认真考虑的,必须探讨与评估新的不同的应用和用户需求,采取相应的技术作为应对这些挑战的措施。


具体挑战与对策有如下四个方面:


  一是终端用户的期望值的挑战,大多数用户并不关心是不是全视野跟踪或者跟踪多少颗卫星,以及接收机后面的许多故事,他们判断GNSS接收机好坏,是看它确定的位置,能不能满足应用需要。满足他们关于精度、可用性、执行延迟时间、数据率,以及接收机的大小、功耗和价格的期盼。当然在满足基本要求的基础上,要求更加方便使用、更加精确、更加可靠;


  二是通信带宽的挑战,如RTK这样的定位方法,需要将参考站对于每个卫星信号的观测数据发送给野外的移动站,在全视野可见卫星数量相当多的情况下,要求相当宽的数据通信传输带宽。单点精密定位(PPP)方法提供是来自于所有GNSS误差源的实时误差修正,是RTK的很好的替补者,在相当应用场合下,可以提供足够的性能。利用现代的星座,在多频率工作时,也存在接收机设计的挑战,RF设计者面临接收机和天线小型化、轻型化、价格廉的要求,在支持更多的广播频率的同时,需要缓解来自于非GNSS应用在L波段的RF频谱中的干扰增加形成的影响;


  三是多传感器融合的挑战,因为GNSS新的应用需求,不仅仅限制在定位,大部分移动目标的控制应用,需要定向信息,甚至更高精度的定位。多天线航向系统也已做得比以往任何时候都小,惯性测量设备技术进展迅速,几年前傻大笨粗的惯性系统,已经变成性能可与之匹敌的小型化微机电系统(MEMS)技术,后者与GNSS的集成已经用于高性能的空中和地面测绘,多种多样的传感器技术融合,将成为所有机械控制和自主移动体应用的标准配置;除了结合惯性传感器技术外,有些厂商已开始结合更多的定位传感器,如上海北寻信息科技有限公司正在开发结合惯性、轮速、激光雷达、UWB、标识点、视觉导航等更多方式的组合导航,实现室外、室内、水下、地下等所有应用环境下的高精度导航。


  四是安全的挑战,对于工作在遥控,或者最佳化导引和自主系统的设计者来讲,安全是关键的考虑要素。精度和航向是重要的,但是与安全相比,不可同日而语,确保测量结果的准确性和真实性是第一位的。由于定位解的精度是实时表征的,这样控制系统可以响应,所以必须保护好用户及其移动体。通常,这些应用中,在定位解的精度与鲁棒性和可靠性之间进行权衡折中考虑。这为原来只注意精度的中间件和算法开发人员,提供了一种新的思路。


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