高精度大眾化應用走過什么樣的發展之路,其中的奧秘究竟是什么?值得認真了解和思考,這就是擺脫具體參考站的局域性限制,成為全球性高精度改正服務。衛星導航應用一開始,具有高精度和標準精度之分,主要是以單頻與雙頻工作,或者是軍用和民用為分野。而其誤差來源,主要有:衛星軌道誤差、星鐘時鐘誤差、大氣傳播誤差、設備信道誤差,以及衛星空間幾何分布誤差等。大氣中的電離層誤差往往是具有明顯的不確定性,而且有可能成為重大誤差,所以利用雙頻設計的目的就是為了消除電離層的影響。
美國天寶公司歷來是以高精度應用的行業指向標著稱,僅僅以雙頻接收機獲得高精度是不足以在行業內成為翹楚,從靜態走向動態,發明了以參考站為中心的實時動態(Real-Time Kinematic,RTK)測量。第一個商用的GPS RTK產品是1993年發布的。從此,RTK技術得到了廣泛的多種多樣的應用,如測繪測量、機械控制和精準農業。通常的RTK提供厘米級精度,初始化時間為數秒。但是其明顯的局限性是需要有就近的基礎設施加以支撐,這些基礎設施就是單個參考站和無線電數據鏈,或者是網絡RTK(虛擬參考站系統,VRS),是多個參考站組成的觀測網絡和互聯網組合,也就是個中央數據中心和與用戶連接通信鏈路?;趩位?,或者網絡RTK的情況下,基準參考站與移動用戶機之間的距離,一般不會超過100公里。
過去的十余年間,許多研究人員致力于精密單點定位(PPP)技術,將其作為基于參考站的RTK的替換技術,采用PPP的GNSS定位,是利用衛星精密軌道和精密時鐘信息,而不是從單個或者多個參考站獲得精密改正數據。在早先的PPP技術應用中,PPP提供的解決方案典型的定位精度,在水平面內優于10厘米,該技術的問題是獲得求解的收斂時間過長,往往需要數十分鐘,有時因為空間衛星幾何分布和大氣狀態條件的限制,收斂時間會達到數小時。漫長的初始化時間限制了PPP技術作為實用的定位方法和行之有效的可用性技術。但是,通過近些年來的研究開發,類似PPP解決方案取得長足進步,參考站稀少地區的網絡RTK性能也得到提高。依托衛星提供的全球衛星星歷和衛星星鐘改正數,在沒有直接使用參考站基礎設施條件下,天寶公司的中心點RTX(Real Time eXtended)可以實時提供厘米級的泛在定位解決方案。關鍵是采用了GNSS多星座定位技術、改進了網絡化RTK處理技術,利用多樣化最佳化的通信傳輸技術,以及完善了移動接收機的RTK定位算法。
圖1. 天寶公司的中心點-RTX的基礎設施示意圖
與此同時,終端接收機芯片的工藝和技術水平的不斷提高,使得高精度大眾化應用具備了基本的物質條件,因此在2011年中期,天寶公司就提出了RTX的概念。并且通過GPS、GLONASS和QZSS組合,將其作為一種實時動態應用向外提供厘米級精度的服務。首先推廣的是RTX-PP(后處理)產品。那些年及近年來,類似的工作在許多公司和研究機構均在開展,主要目標不在于提高精度,因為精度幾近于極限,所以重點致力于提高冷啟動條件下的求解載波相位整周模糊度的收斂時間。當年的RTX-PP顯著特點是使用多星座GNSS支持,求解整周模糊度的收斂時間縮短到15分鐘。從而將這種服務用在靜止測量30分鐘,將能夠實現GNSS絕對靜態定位精度水平與垂直分別達到1厘米和2.5厘米,而動態定位精度分別達到1.5厘米和2.5厘米。
圖2. 天寶公司中心點RTX使用的全球參考站網全球分布
全球參考站網的接收機觀測數據,以1Hz的信息流發送給美國與歐洲的數據處理中心,并且通過多重冗余服務計算精密軌道和精密時鐘信息及其改正量估算,形成數據壓縮幀,也用1Hz更新率再發給全球用戶。現在軌道、時鐘和電離層等改正數的發布傳輸方式,可以是多種多樣的,可以是衛星鏈路、移動通信電路,或者互聯網形式。
天寶公司的GNSS RTX改正技術,已經能夠提供了兩種厘米級的精度,作為范圍廣泛的定位應用。而且針對不同的用戶需求,可以提供厘米級、分米級、亞米級精度的分級服務,使其成為當今最通用的高精度定位服務商之一。天寶公司通過提供連接物理世界和數字世界的產品和服務來改變世界。定位、建模、連接和數據分析方面的核心技術,使客戶能夠提高生產力、質量、安全性和可持續性。天寶公司軟件、硬件和數據改正服務,正在改變農業、建筑、無人系統、地理空間信息,與運輸和物流等行業經營發展模式。