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GNSS定位原理101-1 GPS是什么 | 它是怎么運(yùn)作的？

田園貓MierCat 644 3

書接上回。

上一篇我們講了什么是GNSS以及GNSS的定位原理 I 。我們說到，GNSS需要用至少四顆衛(wèi)星來提供定位，但這樣的定位精度仍然不可避免地收到各種誤差的干擾。如下圖所示，GNSS的定位精度在30m以內(nèi)。

各種定位方式的精度對比圖 來源：https://www.google.com/url?sa=i&url=https://www.researchgate.net/figure/Comparison-of-positioning-accuracies-provided-by-RTK-PPP-SBAS-DGNSS-and-Standard-GNSS_fig1_345719792&psig=AOvVaw1_VGGgvKEJ1y9WkmnYapyk&ust=1687667793681000&source=images&cd=vfe&ved=0CBIQjhxqFwoTCMDcw8yK2_8CFQAAAAAdAAAAABAJ

30m的誤差可真做不了什么事情。

https://youtu.be/npOl38mYfqY

在這里我默默插入Prof. Thomas Herring在UNAVCO的一個(gè)workshop的slides，提到了GPS的極致精度最高能達(dá)到多少----人類的毛發(fā)直徑。這和30m的差距有點(diǎn)大吧！

那怎么辦呢？肯定要增強(qiáng)一下咯~

GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)（GNSS Augmentation Systems）

為了克服GPS和GLONASS的固有系統(tǒng)限制，滿足定位和導(dǎo)航應(yīng)用的性能要求（精度、完整性、連續(xù)性和可用性），出現(xiàn)了GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)。GNSS增強(qiáng)被分為三大類：基于星載的、基于衛(wèi)星的和基于地面的。

在解釋這三種增強(qiáng)系統(tǒng)之前，我們要先引入一個(gè)概念----Integrity：

在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和其增強(qiáng)系統(tǒng)（如地面增強(qiáng)系統(tǒng)，GBAS）中，'Integrity'是一個(gè)非常重要的概念。它指的是系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)檢測到自身的錯(cuò)誤，并向用戶發(fā)出警告的能力。

在航空領(lǐng)域，Integrity至關(guān)重要。如果GNSS或其增強(qiáng)系統(tǒng)提供了錯(cuò)誤的信息，而飛行員或自動飛行系統(tǒng)依賴這些信息進(jìn)行導(dǎo)航，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，系統(tǒng)必須能夠快速準(zhǔn)確地檢測到任何可能影響其精度、可靠性和穩(wěn)定性的問題，并立即向用戶發(fā)出警告。

這個(gè)詞通常被翻譯成完整性。但我感覺這個(gè)翻譯很容易產(chǎn)生誤導(dǎo)，所以我在下文直接使用英文，integrity。

基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS，Satellite-Based Augmentation System）：

這類系統(tǒng)使用額外的地球同步軌道衛(wèi)星(geostationary satellite)和參考站(CORS)來提供補(bǔ)充的信號，用于改善GNSS信號的精度和integrity。如美國的WAAS、歐洲的EGNOS、日本的MSAS、印度的GAGAN等，見下圖。WAAS的精確度在7.6米以內(nèi)。

https://www.google.com/url?sa=i&url=https://www.euspa.europa.eu/european-space/eu-space-programme/what-sbas&psig=AOvVaw1xuzNe0TAkSd6RsmTSW006&ust=1687676630220000&source=images&cd=vfe&ved=0CBIQjhxqFwoTCLCMicKr2_8CFQAAAAAdAAAAABAb

How does SBAS work? 

配合我的文字，看懂下面這張圖：

1. 參考站收集數(shù)據(jù)=》主控中心

區(qū)域內(nèi)持續(xù)運(yùn)行的參考站（Continuously Operating Reference Stations，簡稱CORS）會收集原始定位數(shù)據(jù)（藍(lán)色的方塊）（GPS數(shù)據(jù)+收到的時(shí)間），并發(fā)送到主控中心（Master Control Center）。

2. 主控中心解算出誤差校正信號：

我們上一章有結(jié)束過GNSS的定位原理，參考站已知自己的位置數(shù)據(jù)，可以把已知的位置數(shù)據(jù)和估算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，這個(gè)差值就是我們所謂的“誤差”。

主控中心通過這些誤差，計(jì)算出用于糾正誤差的校正信息，生成用于糾正誤差的校正信號，包括補(bǔ)償大氣延遲、衛(wèi)星軌道誤差等因素產(chǎn)生的誤差。

*在這個(gè)過程中，如果誤差過大，MCC可以決定不要用這顆衛(wèi)星。

3. 誤差校正信號從主控中心=》SBAS衛(wèi)星=》GNSS用戶

這段修正數(shù)據(jù)，連同一個(gè)“使用/不使用衛(wèi)星”的標(biāo)簽，被放在一個(gè)類似GPS的信號上，上傳到地球同步衛(wèi)星（GEO）；通過GEO立即向GNSS終端用戶進(jìn)行廣播。只要終端用戶有一個(gè)SBAS接收器，他/她就會得到一個(gè)更準(zhǔn)確的位置估計(jì)（水平方向上的誤差為+/- 3米，垂直方向上的誤差為+/- 5米），并且這個(gè)位置估計(jì)的integrity為10^（-7）。

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這種性能水平意味著SBAS可以支持飛行的大部分階段。然而，SBAS服務(wù)也有一些限制，因?yàn)?strong>地球同步軌道衛(wèi)星（GEOs）是在赤道平面上運(yùn)行的，而在非常高的緯度和山區(qū)的深東西谷地，SBAS信號不太給力；同樣，在機(jī)動時(shí)，信號也可能被遮擋。因此，SBAS在商業(yè)航空運(yùn)輸中并未廣泛部署。

基于地面的增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS，Ground-Based Augmentation System）：

1. GBAS的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號由機(jī)場附近的一個(gè)極其精準(zhǔn)定位的接收機(jī)接收（不同于SBAS，SBAS的參考站覆蓋整個(gè)大陸。例如，美國的WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)）就能覆蓋整個(gè)北美洲）。

機(jī)場附近的接收機(jī) https://youtu.be/ZPD36cK7BRo

2. GBAS facility shelter （類似主控中心）收到數(shù)據(jù)，進(jìn)行解算。和SBAS一樣的是，通過已知坐標(biāo)的接收站來計(jì)算誤差；當(dāng)其中一顆衛(wèi)星的誤差太大時(shí)，那顆衛(wèi)星會被標(biāo)記為“不可用” （=》提高了integrity）。

3. 主控中心把解算出來的誤差校準(zhǔn)信號和“可用、不可用衛(wèi)星”的標(biāo)簽一起傳給飛機(jī)（通過VHF data link），對飛機(jī)進(jìn)行誤差校準(zhǔn)。GBAS覆蓋面積比SBAS小得多，所以準(zhǔn)確率也更高。其精度在水平和垂直方向上都達(dá)到了米級。

https://youtu.be/ZPD36cK7BRo

GBAS由地面子系統(tǒng)和飛機(jī)子系統(tǒng)組成。一個(gè)地面子系統(tǒng)可以支持服務(wù)范圍內(nèi)無限數(shù)量的飛機(jī)子系統(tǒng)。地面子系統(tǒng)為服務(wù)范圍內(nèi)的飛機(jī)提供以下信息：

- 進(jìn)近路徑數(shù)據(jù)

- 距離修正

- integrity

對比一下SBAS和GBAS： 

https://youtu.be/ZPD36cK7BRo

基于飛機(jī)的增強(qiáng)系統(tǒng)（ABAS，Aircraft-Based Augmentation System）：

了解ABAS，我們需要了解兩種算法：RAIM和AAIM。

接收機(jī)自主完整性監(jiān)測（RAIM，Receiver Autonomous Integrity Monitoring）是接收器中的一種算法。上文我們講過，要計(jì)算出3D位置，至少需要四顆衛(wèi)星。那如果視野中有第五顆衛(wèi)星，就可以計(jì)算出五個(gè)獨(dú)立的位置。

如果這五個(gè)位置的估值不在一定的范圍內(nèi)，那我們可以推斷出一顆（或多顆）衛(wèi)星正在發(fā)送錯(cuò)誤的信息。這個(gè)過程叫故障檢測（Fault Detection，簡稱FD）。

如果視野中有六顆或更多的衛(wèi)星，可以計(jì)算出更多獨(dú)立的位置。接收器可能能識別出哪顆是故障衛(wèi)星，并將其排除在位置確定計(jì)算之外。這個(gè)過程被稱為故障檢測和排除（Fault Detection and Exclusion，簡稱FDE）。

飛機(jī)自主完整性監(jiān)測（AAIM，Aircraft Autonomous Integrity Monitoring）

ABAS還包括將接收器更復(fù)雜地整合到飛機(jī)航電系統(tǒng)中，這個(gè)算法稱為AAIM.

舉一個(gè)例子，當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航天線在飛機(jī)飛行過程中收到干擾或視野中的衛(wèi)星數(shù)量不足時(shí)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system）可以在短時(shí)間內(nèi)輔助GNSS定位。通過比較慣性位置與衍生的GPS位置，可以監(jiān)測位置估值的準(zhǔn)確性。此外，增強(qiáng)技術(shù)可以通過提供高度測量輔助、更精確的時(shí)間源或通過卡爾曼濾波技術(shù)結(jié)合一些傳感器輸入，來提高導(dǎo)航功能的可用性。

RAIM是最常見的完整性監(jiān)測形式。大多數(shù)導(dǎo)航規(guī)范都會特別 要求飛行員檢查之后的飛行過程中是否有足夠的衛(wèi)星進(jìn)行完整性監(jiān)測，這個(gè)過程被稱為RAIM預(yù)測。

https://www.google.com/url?sa=i&url=https://slideplayer.com/slide/8928701/&psig=AOvVaw1jP6FC24MIEQBEBzTfz_Z9&ust=1687687239744000&source=images&cd=vfe&ved=0CBIQjhxqFwoTCIjinoXT2_8CFQAAAAAdAAAAABAJ

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Reference:

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ResearchGate. (n.d.). Comparison of positioning accuracies provided by RTK, PPP, SBAS, DGNSS, and Standard GNSS. Retrieved from https://www.researchgate.net/figure/Comparison-of-positioning-accuracies-provided-by-RTK-PPP-SBAS-DGNSS-and-Standard-GNSS_fig1_345719792

European Union Agency for the Space Programme. (n.d.). What is SBAS? Retrieved from https://www.euspa.europa.eu/european-space/eu-space-programme/what-sbas

Understanding GBAS. (n.d.). Retrieved from https://youtu.be/ZPD36cK7BRo

SlidePlayer. (n.d.). [Slide Presentation]. Retrieved from https://slideplayer.com/slide/8928701/

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