GNSS高精度、授時和資產(chǎn)管理解決方案概述
——《GNSS用戶技術(shù)報告》簡介之五

● 文 |中國國防科技信息中心 王歡 席歡

GNSS高精度、授時和資產(chǎn)管理解決方案概述
——《GNSS用戶技術(shù)報告》簡介之五

● 文 |中國國防科技信息中心 王歡 席歡

2016年10月5日，歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（GSA）發(fā)布《GNSS用戶技術(shù)報告》（以下簡稱《報告》）?！秷蟾妗分荚趲椭脩袅私饨邮諜C技術(shù)及其發(fā)展趨勢，幫助工業(yè)界制定相關(guān)技術(shù)開發(fā)、采購、使用計劃與決策?！秷蟾妗分饕ㄈ糠郑捍蟊娛袌鼋鉀Q方案、交通安全與法律責任關(guān)鍵產(chǎn)品以及高精度、授時和資產(chǎn)管理解決方案。本文主要對高精度、授時和資產(chǎn)管理解決方案部分進行整理，供讀者參考。

GNSS；授時；資產(chǎn)管理

一、GNSS用戶技術(shù)的主要特征和關(guān)鍵性能參數(shù)

高精度、授時和資產(chǎn)管理解決方案，包括在每個特定領(lǐng)域擁有所需關(guān)鍵性能參數(shù)的接收機和技術(shù)，其中需要高定位精度的領(lǐng)域包括農(nóng)業(yè)、測繪和建筑等。一方面，這些領(lǐng)域很大程度上依賴一個或多個已經(jīng)成熟的定位增強技術(shù)，提供所需的定位精度；另一方面，在地理信息系統(tǒng)/測繪領(lǐng)域使用免費的星基增強系統(tǒng)（SBAS）或差分GNSS（DGNSS）系統(tǒng)，要求定位精度達到約1m的精度水平。其他應(yīng)用領(lǐng)域包括資產(chǎn)管理、授時和同步則使用單頻接收機，因為單頻接收機已經(jīng)可以為其提供令人滿意的性能。但授時實驗室是一個例外，需要使用非常高等級的計量GNSS接收機。

值得注意的是，最關(guān)鍵的性能參數(shù)種類繁多，而不同的領(lǐng)域需要的關(guān)鍵性能參數(shù)不盡相同。

●對于農(nóng)業(yè)應(yīng)用來說，關(guān)鍵性能參數(shù)包括：

精度：很多農(nóng)業(yè)應(yīng)用需要較高的定位精度完成農(nóng)業(yè)活動，例如機械控制（播種和變量控制應(yīng)用）。多徑和信號盲區(qū)問題的緩解將有益于高精度的應(yīng)用需求。

可用性：某些農(nóng)業(yè)活動必須在特定的時間、特定的日期進行，在這期間的信號中斷將造成嚴重的后果。

強健性：自動機械制導(dǎo)需要考慮安全關(guān)鍵要素，確保農(nóng)業(yè)應(yīng)用免遭潛在的欺騙和干擾影響。

●對于資產(chǎn)管理、地理信息系統(tǒng)和測繪應(yīng)用領(lǐng)域，關(guān)鍵性能參數(shù)包括：

完好性：完好性的缺失可能導(dǎo)致錯誤的收費或罰款，進而破壞整個應(yīng)用。

強健性：易受干擾或無法檢測欺騙可能使應(yīng)用失效。

可用性：在地理信息系統(tǒng)/測繪領(lǐng)域具備可用性至關(guān)重要，因為信號中斷將造成巨大的損失。

●對于測量應(yīng)用領(lǐng)域，關(guān)鍵性能參數(shù)包括：

精度：根據(jù)具體應(yīng)用，可能需要厘米級的準確度。

完好性：根據(jù)具體應(yīng)用，完好性的缺失將造成巨大損失。

強健性：某些特定應(yīng)用或?qū)⑹芤嬗谏У奈恢糜涗洝?/p>

可用性：信號中斷將造成嚴重的工期延遲。

●對于建筑工程應(yīng)用，關(guān)鍵性能參數(shù)包括：

精度：取決于具體應(yīng)用，可能需要厘米級定位精度。

完好性：取決于應(yīng)用，完好性缺失將造成巨大損失。

強健性：取決于應(yīng)用，強健性缺失將造成巨大損失。

可用性：信號可用性的缺失將造成巨大損失。

●對于同步授時應(yīng)用，關(guān)鍵性能參數(shù)包括：

可用性：需要保證全天候、24小時提供授時服務(wù)。

強健性：有些應(yīng)用需要考慮安全關(guān)鍵要素，避免潛在欺騙和干擾是必要的。尤其是關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的同步，如電信網(wǎng)絡(luò)、金融、配電系統(tǒng)。

完好性：法律應(yīng)用需要精確的時間戳。

精度：雖然對于很多應(yīng)用而言，入門級接收機即可滿足精度需求。但是對于新興應(yīng)用，比如4G/5G電信網(wǎng)和4K數(shù)字視頻廣播（DVB），需要更好的同步授時精度。而對于授時實驗室來說，精度顯然是最主要的參數(shù)，且穩(wěn)定性和精確性必須保持原子鐘水平。

二、GNSS應(yīng)用行業(yè)規(guī)劃

專業(yè)級接收機可以細分為以下幾類：①測量接收機（大地測量級參考站接收機和測量級接收機）；②機械控制接收機（農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)接收機）；③地理信息系統(tǒng)/測繪的通用接收機；④追蹤和監(jiān)測接收機（資產(chǎn)管理）；⑤授時接收機。

雖然各個領(lǐng)域使用接收機的用途不盡相同，且供應(yīng)商來源廣泛，但主要是基于少量制造商生產(chǎn)的GNSS接收機模塊設(shè)計生產(chǎn)，模塊是由芯片組成，歸根到底，接收機是基于極少數(shù)廠商生產(chǎn)的GNSS芯片組。通常，這些芯片組是專有設(shè)計，它們的更新?lián)Q代推動市場向前發(fā)展。每一代最新研發(fā)的芯片組都是基于最新的專用集成電路（ASIC）技術(shù)，盡量滿足多數(shù)應(yīng)用需求并具備模塊級可擴展功能。

模塊，特別是低端模塊，通常不會利用芯片組提供的所有功能。特別是現(xiàn)代芯片組通常包括強大的微處理能力，模塊可以進一步定制，并嵌入到市場特殊性能需求的固件中，同時，使用制造商提供的認證密鑰還可以在購買后進一步升級。

1.大地參考站和測量接收機

測地級參考站接收機主要用于永久性網(wǎng)絡(luò)（商業(yè)、機構(gòu)和科學(xué)），支持從日常邊界測量到地殼形變監(jiān)測等各種各樣的應(yīng)用。永久性GNSS網(wǎng)絡(luò)的操作員經(jīng)常是新星座的首批使用者，因為他們希望在新的星座發(fā)射第一顆衛(wèi)星時或之前，就將接收機安裝到位。

鑒于專用集成電路和電池技術(shù)的發(fā)展進步，便攜式天線和接收機組合一體機面世——通常稱之為“智能天線”方式，這種設(shè)計使功耗降低成為可能，同時由于其收益可觀，在移動測量接收機中得到了廣泛應(yīng)用。此類接收機一般是由少數(shù)制造商生產(chǎn)銷售，并與其他的地球科學(xué)儀器進行縱向集成。這些核心技術(shù)制造商通常也會將他們掌握的GNSS技術(shù)賣給系統(tǒng)集成商。

2.機械控制接收機

機械控制接收機可進行機械導(dǎo)引，主要應(yīng)用在土木工程和農(nóng)業(yè)部門。接收機產(chǎn)品巨大的潛在市場意味著這些產(chǎn)品將根據(jù)特定行業(yè)進行設(shè)計。與測量接收機一樣，智能天線方式在機械控制接收機市場已經(jīng)廣泛流行，因為其極大地簡化了在主承載車輛上的安裝過程。在這種情況下，鑒于主機能源的可用性，功耗將不是主要的考慮因素。

機械導(dǎo)引接收機也與外部控制器（提供人機接口）、行業(yè)專用控制軟件、車輛控制系統(tǒng)接口一起使用。由于這些導(dǎo)向系統(tǒng)的復(fù)雜性，人們一般直接購買一體化的主機。但是，特別是在農(nóng)業(yè)部門內(nèi)部，根據(jù)生產(chǎn)季節(jié)，在機器之間移動智能接收機的的關(guān)鍵組件也并非罕見。這些產(chǎn)品的“核心技術(shù)”是由相同的制造商生產(chǎn)的，同測繪領(lǐng)域的接收機產(chǎn)品一樣，機械導(dǎo)引接收機中使用的“核心技術(shù)”是由相同的制造商生產(chǎn)的，盡管這些產(chǎn)品通過不同的渠道（如農(nóng)業(yè)機械供應(yīng)商）進行包裝、集成并上市。

3.地理信息系統(tǒng)/測繪、追蹤和監(jiān)測使用的通用接收機

用于地理信息系統(tǒng)/測繪、追蹤和監(jiān)測領(lǐng)域的通用接收機要達到米級定位精度，單頻或星基增強系統(tǒng)接收機產(chǎn)品即能滿足需求。測繪應(yīng)用要求分米級的定位精度，使用的主要是測量級的接收機。

針對通用測繪和數(shù)據(jù)收集市場的需求，將使用智能天線接收機，并盡可能采用手持方式。這些產(chǎn)品由公司的同一組人員開發(fā)和銷售，而他們通常與擅長移動計算方案的集成商合作。

鑒于跟蹤和監(jiān)測應(yīng)用的精度需求為1～10m，可以使用成本較低的單頻GNSS模塊，其形狀規(guī)格和外在功能的選擇取決于跟蹤單元特定的應(yīng)用和系統(tǒng)。鑒于此，這些領(lǐng)域的市場非常分散，通常是由較小的制造商將其產(chǎn)品集成到大型GNSS接收機和通信模塊制造商生產(chǎn)的模塊。這些單元通常有特殊要求，如防篡改制造，以滿足主系統(tǒng)的需求。

4.授時接收機

授時參考接收機使用于昂貴的裝備，如代號為k的時間實驗室產(chǎn)生和保持的標準時間：UTC（k），主要由少數(shù)專業(yè)標準制造商、原始設(shè)備制造商或特定領(lǐng)域集成商設(shè)計和制造。

通用授時接收機（板卡、模塊、智能天線）主要由大多數(shù)GNSS技術(shù)提供商或組件制造商提供。這些接收機通常由專業(yè)公司集成在專用的T/S終端（和所有需要的接口），特別是針對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施同步處理的產(chǎn)品。

三、雙頻接收機將顯著提升精度和完好性

1.采用多星座模式

同其他兩個領(lǐng)域相比，專業(yè)領(lǐng)域接收機支持的星座最多。由于測量、地理信息系統(tǒng)/測繪、建筑和農(nóng)業(yè)市場范圍相對較小，且產(chǎn)品使用周期較長。那么，與大眾市場和交通市場相比，接收機更新?lián)Q代更需具有前瞻性和持久性。同時，再加上高性能（準確性、完好性和其它性能）的需求，形成了對多星座的早期支持。

當前，制造商產(chǎn)品生產(chǎn)線中的大多數(shù)產(chǎn)品均能夠支持多個星座。然而，產(chǎn)品的生命周期過長就意味著許多僅能支持GPS星座的早期產(chǎn)品仍在使用。從成本和功耗兩方面考慮，車隊和資產(chǎn)追蹤應(yīng)用通常使用僅支持GPS的產(chǎn)品，而低精度地理信息系統(tǒng)/測繪接收機則具有星基增強系統(tǒng)功能。

2.采用多頻模式

在測量領(lǐng)域使用的雙頻接收機需具備高精度要求（＜5cm）。未來，三頻接收機將變得越來越重要。永久性參考站接收機將能夠接收“視野內(nèi)所有的衛(wèi)星和信號”，用于支持所有類型的處理和移動接收機。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，特別是對于機器控制等應(yīng)用需要相當高的精度，這意味著從實際應(yīng)用角度出發(fā)，雙頻接收機成為現(xiàn)實需求。如果Galileo商業(yè)（CS）服務(wù)在市場上被采用，那么，三頻接收機將極有可能得到普及。

從成本因素出發(fā)，地理信息系統(tǒng)/測繪、追蹤和監(jiān)測通常采用單頻接收機。對于依賴集成電源的追蹤器，最重要的驅(qū)動因素是將能耗降到最低。同步和授時領(lǐng)域主要采用單頻接收機。但時間轉(zhuǎn)移實驗室接收機（計量裝備）是一個例外，它使用所有可用的頻率和信號。

四、典型先進接收機分析

1．GNSS通道數(shù)量

在典型的體系結(jié)構(gòu)中，接收機向每個跟蹤信號（代表一個頻率和來自單獨衛(wèi)星的信號分量）分配一個通道。盡管目前的設(shè)備已經(jīng)可以支持約12個通道，但能夠支持更多通道的接收機將成為未來的發(fā)展趨勢。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展同樣也在推動接收機向前發(fā)展。因此，盡管典型數(shù)值要求是能處理200個信道，但現(xiàn)有的一些測量接收機已能夠處理高達864個信道。這使得接收機能夠支持所有現(xiàn)有的和計劃中的星座和頻率，包括星基增強系統(tǒng)。

鑒于受益于多頻信號處理，接收機可以消除GNSS信號中的頻率相關(guān)誤差，提高接收機精度。典型的示例是電離層延遲的校正，因為這是造成整體測量誤差的主要因素。然而，在成本、尺寸、功耗、性能、信號、頻帶濾波，以及模擬電路質(zhì)量中則需權(quán)衡得失。

2.增強服務(wù)

從技術(shù)的角度來說，用戶對關(guān)鍵性能參數(shù)的應(yīng)用需求驅(qū)動了商業(yè)GNSS增強服務(wù)的出現(xiàn)。比如，如果沒有類似公開增強服務(wù)性能的服務(wù)，農(nóng)業(yè)機械制導(dǎo)或測量應(yīng)用所需的精度將無法實現(xiàn)。歷史上，載波相位差分技術(shù)實現(xiàn)了這一需求。今后，精密單點定位技術(shù)將為之持續(xù)提供增強服務(wù)。這意味著現(xiàn)有的專業(yè)GNSS接收機包含了可接收商用DGNSS服務(wù)的L頻段數(shù)據(jù)鏈接收機、超高頻數(shù)據(jù)鏈或者蜂窩無線電模塊，用于支持載波相位差分技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)載波相位差分技術(shù)服務(wù)。相關(guān)的定位求解算法和有條件訪問功能，需要增加固件才能實現(xiàn)上述能力。

3.電源和機載通信

不同于大眾市場，專業(yè)應(yīng)用接收機通常能夠接入電源，將功耗降低也不是問題。這使得接收機能在不用考慮能耗的情況下，能夠處理更多的GNSS頻道。其中，典型案例是針對便攜式土地測量設(shè)備、測站設(shè)置和地理信息系統(tǒng)/繪圖市場的專業(yè)接收機，以及一些沒有安裝外接電源的資產(chǎn)管理模塊。

為了支持載波相位差分技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)載波相位差分技術(shù)和衛(wèi)星遞送的實時精密單點定位服務(wù)，現(xiàn)代化的GNSS接收機為這些市場（比如測量和農(nóng)業(yè)）設(shè)計并提供了集成的數(shù)據(jù)鏈能力，且可以通過下列的一種或多種方式實現(xiàn)：特高頻無線電波數(shù)據(jù)鏈調(diào)制解調(diào)器、3G或4G蜂窩數(shù)據(jù)鏈模塊以及L頻段移動衛(wèi)星服務(wù)數(shù)據(jù)鏈接收機。

4.天線

典型的測量、參考級或機械控制接收機將利用外部安裝的天線，通常包括一個低噪放大器和一些射頻濾波降低饋線損耗，還可以采用許多減輕多徑干擾的技術(shù)。未來，相控陣天線復(fù)雜的零增益控制可作為一種普遍的方法來克服有意或無意的干擾造成的影響。對便攜式單元來說，天線通常集成在GNSS接收機中。

五、發(fā)展趨勢

1.技術(shù)發(fā)展將使低成本接收機具備厘米級測量精度

在高精度、授時和資產(chǎn)管理解決方案中使用GNSS的主要技術(shù)趨勢和前景受以下因素影響：①高精度解決方案（比如多星座、多頻、Galileo CS高度）的顯著改善;②低成本設(shè)備可用性的增加（比如高性能手持設(shè)備、支持星基增強系統(tǒng)的設(shè)備、更經(jīng)濟實惠的GNSS 載波相位差分技術(shù)解決方案）。而只考慮高精度解決方案的情況是：①精密單點定位技術(shù)的采用；②將GNSS集成到農(nóng)場管理系統(tǒng)中的其他技術(shù)（激光雷達、激光掃描儀、遙感和機器人）。

專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呔扔泻芨咝枨?。在大多?shù)情況下，多星座能極大地幫助確保接收機滿足高精度需求。專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域使用的大多數(shù)（85%）接收機已經(jīng)安裝至少可以跟蹤兩個星座（40%可以跟蹤4個全球星座）的軟件。

此外，Galileo CS服務(wù)和GPS L5頻段的引入，將使高精度需求獲得三頻接收機解決方案。這將能夠顯著減少精密單點定位和差分技術(shù)的收斂時間。

未來，具備三頻能力的大地測量參考站、測量和機械控制接收機的重要性將大大增加。由于這些接收機和增強服務(wù)綜合使用，服務(wù)供應(yīng)商將需要一段時間來升級自身的網(wǎng)絡(luò)、改正格式和算法，并在新的服務(wù)上線之前進行測試。這也是網(wǎng)絡(luò)運營商在一些國家提供升級服務(wù)的原因，確保供應(yīng)商在新星座初具規(guī)模時提升效益，且終端滿足用戶需求。

在地理信息系統(tǒng)/測繪通用接收機領(lǐng)域，專業(yè)用戶傾向于使用消費級手持設(shè)備，比如使用智能手機或平板電腦來進行數(shù)據(jù)獲取和資產(chǎn)管理任務(wù)?；蛘?，這些設(shè)備和專業(yè)接收機相連，在保持高精度和穩(wěn)定性的同時，為用戶提供舒適性和友好性服務(wù)，并節(jié)省手機和平板電腦的耗電。GNSS接收機價格下降、精度提高，將地圖轉(zhuǎn)變得更人性化。

基于GNSS單頻實現(xiàn)的資產(chǎn)和車隊管理接收機市場已經(jīng)成熟，對性能需求的條件降低。但是，不久的未來雙頻接收機將能夠?qū)崿F(xiàn)，且得到廣泛應(yīng)用。

與此同時，授時實驗室接收機將繼續(xù)與大地測量接收機（所有信號）共享許多性能。而且，在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中使用的T/S接收機將采用多星座甚至雙頻模式，并逐漸采用驗證功能。最后，高精度的需求（4G和5G電信，DVB-T）將極有可能推動雙頻信號的應(yīng)用。

2.精密單點定位和集成解決方案正在農(nóng)業(yè)和測量領(lǐng)域興起

（1）精密單點定位的興起

載波相位差分技術(shù)領(lǐng)域的變化體現(xiàn)在以下幾個方面：①載波相位差分技術(shù) GNSS接收機“板卡”的普及；②在GNSS衛(wèi)星能見度的熱點區(qū)域，中國是載波相位差分技術(shù)解決方案快速增長的市場之一；③由一些國家測繪機構(gòu)與商業(yè)供應(yīng)商運營的主動和被動參考站與載波相位差分技術(shù)參考站網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用；④由于市場飽和以及新興的精密單點定位解決方案的激烈競爭，載波相位差分技術(shù)GNSS接收機價格顯著降低。

上述因素推動了厘米級水平/垂直精度的低成本、雙頻（L1/E1和L5/E5）接收機的興起。這些接收機的廣泛使用也使得載波相位差分技術(shù)廣泛應(yīng)用到一系列高精度應(yīng)用中。同時，特別是在實施環(huán)境中，盡管精密單點定位解決方案存在挑戰(zhàn)，但作為DGNSS解決方案的替代品，仍然得到越來越多的認同，且在亞米級精度用戶中流行。對于沒有載波相位差分技術(shù)支持的運行環(huán)境中（如遠洋環(huán)境）的用戶來說更是如此，在一些沒有永久性網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)，投資載波相位差分技術(shù)系統(tǒng)的成本要高于精密單點定位解決方案，前者需要2臺接收機和1條數(shù)據(jù)鏈路，而后者只需要1臺接收機。因此，在厘米級精度應(yīng)用中，盡管載波相位差分技術(shù)能夠提供實時解決方案，且仍舊是首選方案，但精密單點定位解決方案因其設(shè)備需求量小以及全球可用的特性，將成為極具潛力的替代方案。

（2）GNSS及其互補技術(shù)的集成解決方案

專業(yè)部門（測量和建筑）由于受到嚴格需求的影響，在采用創(chuàng)新技術(shù)方面往往具有一定的前瞻性。在過去幾年中，一些“工具”已經(jīng)為高精度用戶使用：① 3D激光掃描儀?？蓮撵o態(tài)位置掃描水平和垂直場地，3D掃描儀收集用于建筑或土地的數(shù)字3D模型密集點云。②全站儀。使用激光器紅外光束和電子數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，經(jīng)緯儀用于電子計算厘米級精度的距離。全站儀的機器版本已處于使用狀態(tài)，允許測量人員進行遠程操控。③激光雷達和攝影測量攝像頭。通常安裝在飛機上，激光雷達通過照射不同的目標計算光的反向散射進行測量。使用不同波長的激光雷達可以創(chuàng)建精巧的3D點云模型，并從不同角度進行展示。

GNSS接收機將上述技術(shù)進行集成，提供測量所需的傳感器坐標，包括初始位置和坐標的進一步測量。這適用于水文測量（多波束測深儀+慣性測量單元+GNSS）、油氣管道的基礎(chǔ)設(shè)施可視化（激光雷達+GNSS+慣性測量單元）、地籍測量（全站儀+GNSS）和地理參考激光掃描數(shù)據(jù)收集（陸地、機載和移動）。

（3）GNSS是綜合農(nóng)業(yè)管理的支柱

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域受到技術(shù)影響后最明顯的趨勢是將數(shù)據(jù)和技術(shù)集成為全方位解決方案。這種互補的解決方案已經(jīng)上市，包括衛(wèi)星遙感技術(shù)、眾多農(nóng)業(yè)實踐中無人機的使用、以及連通性（大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、未來互聯(lián)網(wǎng)解決方案的部署均可在高度數(shù)字化和互聯(lián)框架中顯現(xiàn)）。

綜合農(nóng)場管理收集、處理、存儲和提供管理現(xiàn)代農(nóng)場所需的數(shù)據(jù)。GNSS將數(shù)據(jù)鏈接到特定的地理坐標中，并提供地理位置、跟蹤和定位，起著至關(guān)重要的作用。

農(nóng)場作物空間和時間變異性數(shù)據(jù)中使用的技術(shù)不同，這些技術(shù)都將為農(nóng)民提供決策制定和管理策略。綜合農(nóng)場管理解決方案在這方面結(jié)合了實時建模和數(shù)據(jù)收集，該方法使農(nóng)場顧問能夠開發(fā)專用的解決方案，幫助個體農(nóng)場或者集體農(nóng)場作出更好的決策。GNSS是構(gòu)成這種綜合管理系統(tǒng)的關(guān)鍵，能夠?qū)崿F(xiàn)收集數(shù)據(jù)的“特定場地”的范圍，并將其歸入管理戰(zhàn)略。

盡管這種綜合解決方案日漸流行，但仍然存在許多挑戰(zhàn)，具體需求包括開發(fā)數(shù)據(jù)管理的新商業(yè)模型，發(fā)展共享和開放的數(shù)據(jù)源，處理數(shù)據(jù)所有權(quán)問題并構(gòu)建用于數(shù)據(jù)存儲的IT基礎(chǔ)設(shè)施。