原创 RTK、PPP与RTK-PPP？一文带您认识高精定位及如何进行高精定位GNSS测试！

随着全球定位技术的不断发展，人们对精准定位的需求也逐渐增加，GNSS技术已经成为了自动驾驶等许多关键领域的基础，而伴随着新兴技术的出现与硬需求，GNSS的定位精度要求也越来越高，因此高精定位技术也越发重要。

GNSS技术，即全球定位卫星系统，目前有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的北斗，可以为全球用户提供高精度的定位、导航和定时服务。GNSS系统的卫星数量在不断增加，目前已经超过100颗。这意味着更多的卫星可用于提供全球定位服务，从而提高了定位的精确性和覆盖范围。

最初的GNSS接收器主要依赖于独立单频测量，其定位精度在5-10米左右。这种技术仅使用卫星的伪距数据来计算位置，精度有限。

在技术进步的推动下，多频接收器开始广泛使用，接收器能够同时使用不同频段的信号。这提高了信号的质量和精度，并有助于减小定位误差，其定位精度约在3-5m。

随着GNSS技术进一步发展，来越多的增强方法被应用到GNSS技术中，如基于伪距的距离修正和误差建模，允许对卫星信号的误差进行建模和校正，从而提高了定位精度。即通过纠正大气延迟、钟差、卫星轨道误差等因素，可以将位置精度提高到1-3米，可以实现在不同应用领域中的高精度定位，包括民航、农业、测绘等。

目前，GNSS技术已经演进到了能够实现高精度定位的阶段，包括使用载波处理技术来处理卫星信号，实施更精确的误差建模，以及采用RTK（实时差分定位）和PPP（精密点对点）技术。使用这些方法，定位精度可以进一步提高到小于1米，满足了对精准定位的高要求，如测绘、自动驾驶汽车、无人机和精密农业等领域的需求。

（1）误差来源

然而由于设备、环境、卫星位置等各种原因，GNSS定位不是完全准确的，会受到多种误差的影响，导致最终的定位有所偏差。常见的误差来源有：

● 电离层误差（lonospheric errors）

● 对流层误差（Tropospheric errors）

● 卫星轨道误差（Satellite orbit errors）

● 卫星时钟误差（Satellite clock errors）

● 传输噪声与多径（RX noise and multipath）

● 接收机时钟误差（Receiver clock errors）

● 用户等效测距误差（UERE，user equivalent ranging error）

● 水平精度因子（HDOP，horizontal dilution of precision）

（2）如何消除误差

对于电离层误差，其影响因素主要是仰角、频率、正上方电子总量TEC，我们可以通过嵌入klobuchar电离层模型参数进入导航信息，降低近50%的误差。此外，也可以通过多频方法，获取电离层自由伪距参数，采用距离校正计算，几乎可以消除电离层误差。

此外通过引入地面观测站的方式可以实现对卫星钟差、卫星轨道误差、电离层误差、对流层误差的减少或消除。根据覆盖区域和实现方式不同实现机制主要有两种：

● Observation Space Representation，观测域校正——小范围校正，直接利用基站进行校正信息传输，例如RTK。

● State Space Representation，状态域校正—— 大范围乃至全球覆盖，利用中心处理站解算与处理校正信息，并利用互联网，卫星网络等传输，例如PPP。

（3）通过双差分方式消除接收机误差

双差分（Double-Difference）是全球导航卫星系统（GNSS）定位中的一种差分定位方法，旨在减小或消除定位中的一些误差来源。与单差分定位不同，双差分同时考虑了两个接收器之间的相对位置差异以及两个卫星之间的相对位置差异。这个方法在相对定位和高精度定位应用中非常有用。通过该方式可以有效减小或消除卫星钟差、卫星轨道误差、电离层误差、对流层误差，此外还可以消除接收机钟差。

（4）其他办法

此外，可以配之其他复杂方法，削弱或消除多径与噪声影响，如载波模糊度解算与基线处理。

RTK（Real-Time Kinematic）技术基于两个GNSS接收器，其中一个充当基准站，另一个作为流动站。基准站精确定位并连续跟踪卫星信号，同时记录数据，而流动站接收卫星信号以定位自身，并从基准站获取包含校正数据的RTCM信息来通过差分运算校正误差。这一过程实现了毫米级的高精度三维实时定位，依赖于实时传输的校正数据，适用于测绘、建筑、农业、无人机导航等多个应用领域。

RTK技术的主要特点是在实时中提供毫米级别的定位精度。RTK是基准站与流动站之间的直接校正信息传输，因此可以解决卫星、传输轨迹以及接收机本身的误差问题，但覆盖区域小，并且精度随着两者之间的距离增加而降低。

PPP（Precise Point Positioning）技术是一种高精度的全球导航卫星系统（GNSS）定位技术，它是一种广域的部署方案，通过CPF解算卫星误差并传输给接收机做校正，允许用户实现毫米级的三维位置精度，而无需依赖差分基站。与差分定位技术不同，PPP技术不需要在接收器和差分基站之间建立通信链接。用户只需单独的GNSS接收器和访问PPP校正数据的互联网连接，即可进行高精度定位。PPP技术适用于全球范围，因为它不依赖于特定地理区域内的差分基站，只需有足够的卫星可见性即可进行定位。但通常需要更长收敛时间的卫星信号观测来实现高精度，因此对于需要长时间持续定位的应用更为适用。

本质上来讲，这两种技术都是在传统GNSS定位的基础上，使用增强技术来提高GNSS定位精度的，是在不同校正域上的延伸与实现。

在上述的介绍中可以发现，RTK技术与PPT技术各有优劣——RTK定位时间快，但是覆盖距离小；PPP定位精度高，全球覆盖，但是收敛时间慢，且部署成本较高。随着需求和技术的发展，将PPP与RTK结合的技术（PPP-RTK）也出现了。

PPP-RTK是未来的主流与趋势，PPP-RTK状态域具备完好的服务优势，可以实现全覆盖、高精度、收敛快的高精度GNSS定位技术。

其主要原理为使用全球基站确定卫星钟差、卫星轨道误差；使用区域基准站对电离层误差、对流层误差等区域性误差进行了分析，建立整网的电离层延迟、对流层延迟等误差模型；并将全球和区域的误差产品发送给移动终端进行定位。总的来看，具有以下优势：

● 全国覆盖

PPP-RTK仅需不超过1000基站即可实现全国覆盖，极大减少基站建设的成本投入，提高服务覆盖范围。

● 单向播发

PPP-RTK采用单向广播模式，更易实现海量用户并发。同时，单向播发的服务模式能有效的保护用户隐私。

● 连续性

PPP-RTK对各项误差采用广域统一建模，提供全国范围内的无缝连续定位服务。

● 完好性

PPP-RTK通过将GNSS各类误差分别建模并提供给用户，各类误差相互独立，可分别进行完好性监测并生成相应的完好性产品，实现功能安全。

可以看到近些年依托于GNSS的高精定位技术发展迅猛，大量的新技术，新应用，新方向层出不穷。如何在项目前期进行相关算法、环境、项目与技术的测试与检验，成为了一个重要的话题。

（1）可重复性，可控性

进行高精度的GNSS测试需要在可重现和可控的环境中对GNSS接收器进行测试，特别是在项目的初期，当有很多参数和特性还不清楚时。通过高效且准确地控制测试场景和环境，可以实现精确的一致重复性测试，这对于项目的快速推进和问题的解决至关重要。

（2）可操作性

进行GNSS测试需要能支持对于设备与系统的实时操作，例如按照特定需求来设置制定的时间、地点信息，注入特定的“错误”和相应的校正数据等，用于对设备进行确定性验证与可预期的功能测试。

（3）HIL能力：

伴随着GNSS与定位导航产品的集成度越来越高，GNSS测试需要能够接入现有系统进行实时在环仿真，允许工程师近乎真实的模拟与测试应用场景，以验证其性能和功能，减少潜在风险，加快产品开发，并提高系统质量，因此要求测试能够支持在组件或整车级别将系统作为“黑匣子”进行测试。

（4）实时性：

在测试GNSS时，尤其是应用HIL仿真方式时，需要能够使用来自实时GNSS的实时网络校正数据进行测试。系统的延迟越低，实施性越好，在自动驾驶与高精定位行业的应用是十分重要的，一方面有助于真实模拟极限情况下的决策与响应能力，另一方面如果延迟太高，就会导致测试系统的实际响应与实际硬件的响应之间存在差异，从而影响测试的准确性。高延迟可能导致测试结果不可靠，甚至误导性，因此需要尽量降低延迟以获得可靠的HIL测试结果。

（5）性价比：

由于高精GNSS测试需要对现有的测试方案做改进，在面向新兴应用时都希望测试系统足够高效，减少所需的时间和资源；此外，在面对测试标准与方式有改变时，现有测试方案可以快速迭代、改变并无需花费大量的成本。

GNSS模拟器是GNSS高精测试的关键产品，是基于软件定义架构的GNSS模拟器，是依托“依托软件引擎，开放硬件平台，高效开放地完成GNSS仿真”的自有Skydel GNSS仿真引擎的全面解决方案。

GNSS模拟器可以模拟接收机的接收口径上的GNSS信号，模拟不同卫星的信号(包括位置、速度、时间信息)，模拟误差和干扰，如多径效应、大气延迟等，实现近乎真实的场景模拟。

可以帮助用户最大程度上高效快速的完成各阶段测试：

① 在Tier1、Tier2或供应商处进行接收器开发验证，通过辐射或传导方式对待测件的GNSS功能做实验室级别测试。

② ECU/TCU Tier1、汽车原始设备制造商（OEM）或移动运营商实验室进行前期的ECU/TCU和整车的GNSS功能测试，结合基站模拟器完成对GNSS+5G的融合测试。

③ ECU/TCU Tier1和汽车原始设备制造商（OEM）进行完全迫真的GNSS全面功能测试，完成结合5G，GEO网络，RTK/PPP基站等的全面高精度GNSS定位测试，对RTK，PPP，RTK-PPP设备的功能与性能进行完整的验证与测试。

GNSS仿真测试在未来自动驾驶等新兴领域中扮演着至关重要的角色，用于提前确保定位导航功能的可靠性。GNSS模拟器是实现GNSS高精度测试的关键工具，为用户提供了可控和可重复的测试方案，同时允许用户实时编辑和定义自己的GNSS仿真测试场景。利用GNSS模拟器，用户可以实现小于5 ms延迟的HIL闭环仿真，使测试尽可能接近真实情况。该模拟器基于软件定义架构，为用户提供了灵活性和可扩展性，使其能够适应未来测试需求的变化；而这样的架构，不仅保证了整体成本的合理性，还提供了出色的性价比。

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高精度POS（positioning and orientation system）即定位定姿系统，是指一种精确测量和确定物体在地球表面或三维空间中的准确位置的技术。高精度POS通常倚赖卫星导航系统（如全球定位系统，GPS）的精确测量，以及其他传感器（如惯性测量单元，IMU）和校准技术，以提供高精度的位置信息。

在自动驾驶领域里，随着自动驾驶技术的成熟和自动驾驶行业的逐渐发展，对数据精度的要求越来越高，其中高精度POS将逐步取代GNSS定位与IMU作为源数据的来源，提供更高精度、形式更丰富的自动驾驶数据。

差分全球导航卫星系统（DGNSS），是对GNSS的增强，旨在纠正GNSS系统中的部分错误和不准确性，从而提供更准确的定位信息。通常，访问校正信息可使差分GNSS接收器比其他接收器更准确；消除这些误差后，GNSS接收器有可能达到高达10厘米的精度。

该系统所基于的假设是，彼此非常接近（例如，在几百公里内）的任何两个接收器都将经历相同的大气误差。因此，差分GNSS使用至少两个GNSS接收器。一个接收器必须位于一个精确的已知位置；这个接收器用作基站或参考站，另一个称为流动接收器。基站接收器计算其由GNSS卫星计算出的位置与其实际已知位置之间的差异。差异是纠错因子，然后将其传输到流动接收器（或多个流动接收器）以校正其测量结果。可以使用无线电信号在现场实时应用更正后的信息。

差分GNSS可以使用固定的地面参考站网络来发送GNSS卫星广播的位置与已知固定位置之间的差异。DGNSS可以指任何类型的地基增强系统（GBAS），全世界有许多正在使用的地面系统。

从轨道卫星而不是地面发射器传输校正的类似系统称为WAAS（广域增强系统）或WADGPS（广域差分全球定位系统）。有时作为同义词使用，基于卫星的增强系统 (SBAS) 可以包括轨道卫星系统，它已在世界其他地区实施，例如EGNOS、MSAS、QZSS和GAGAN。如今，大多数商业GNSS接收器都支持一种带有SBAS的差分校正形式。

RTK就是在DGNSS的基础上，进一步利用卫星信号的载波相位对这种情况进行了修正，因此可以使定位精度进一步达到厘米级。

A-GNSS（Assisting-GNSS，辅助GNSS，又称网络增强卫星定位系统 ）是一种GNSS增强系统，通常可以显着提高全球导航卫星系统（GNSS）的启动性能，即首次定位时间（TTFF）。利用普通的移动通信网络，传送增强校正数据，加强或者加快卫星导航信号的搜索跟踪性能与速度，可以明显缩短接收机的首次定位时间，同时可以在受到一定遮挡的情况下（或者半开阔区域），也能实现卫星导航定位。

所提供的辅助信息，包括导航卫星的历书、星历、频率范围、标准时间和近似位置等。通过提供辅助信息，使GNSS接收机在捕获之前就知道应该捕获的频率范围，然后辅助数据再提供用来计算GNSS用户位置的卫星所在位置。一旦捕获卫星信号后，剩下的工作就是伪距的测量（仅仅需要几毫秒，而不是几分钟），然后A-GNSS接收机开始计算用户的位置。首次定位时间从1分钟或者几分钟量级缩短到1秒量级。此外，由于A-GNSS接收机被设计为预先知道需要搜索哪个频率，接收机的信号搜索跟踪过程就变得较为简单，有针对性地压缩接收机搜索频带，降低噪声带宽，增加信号能量的累计时间，从而增加了A-GNSS接收机的灵敏度，并允许它捕获更弱的信号。