自动驾驶高精定位的PPP-RTK可行的系统架构设计方案

01

PPP-RTK

PPP的定位精度、实时性在一众专家的努力下，有了长足进步。但是，由于受相位偏差、对流层和电离层延迟等各种残余误差的影响，PPP固定解初始化时间仍没有多大改善，少则也需要20分钟左右才能实现固定。

为了进一步改善实时PPP定位的精度、可靠性和时效性，德国GEO++公司Wübbena博士等人在2005年首次正式提出了PPP-RTK的概念，其基本思想是融合PPP和RTK两种技术的优势，利用已经建立起来的密集基准站设施，精化求解相位偏差、对流层和电离层延迟等参数，重新生成各类改正信息，并单独播发给流动站使用，以此解决常规 PPP定位中非差模糊度的快速固定难题，从而实现快速、准确定位。

PPP-RTK的一种可行的系统架构如图1所示。

图1 PPP-RTK的一种可行的系统架构

与PPP架构最显著的区别是，地面主控站与流动站之间多了一条通信链路，而这条链路让PPP-RTK具有如下两大特点，一是极大地提高了PPP定位的精度和收敛的速度，二是拓展了网络RTK的服务范围。

PPP-RTK从观测值层面实现PPP与RTK的“紧组合”，以一种更优雅的方式解决了RTK“依赖于密集基准站资源，当多个CORS系统间存在覆盖盲区时难以实现连续服务”的问题。这意味着在基准站覆盖的区域，PPP-RTK和RTK相差不大，但是在基准站无覆盖的区域，PPP-RTK可以降级为PPP使用，获得不俗的定位精度。

这样的特性恰好是自动驾驶功能完好性功能安全层面所期待的：

（1）功能完好性：PPP-RTK的各类改正数是分开解算的，可以独立评估，从而较容易实现完好性监控，更能够匹配智能驾驶在功能安全方面的需求；

（2）功能安全：让失效变得缓慢，缓慢地让车内用户有时间接管，缓慢地让最小风险策略可以从容地执行。

但是PPP-RTK毕竟还是丢掉了PPP定位不依赖于密集基准站的支持这一独特优势，如何在不采用基准站来增强，实现非差模糊度的快速初始化，是业界面临的共同难题，也是PPP-RTK/PPP未来研究的重点。

下面汇总PPP、RTK、PPP-RTK三者之间的性能对比，如表1所示。

表1 PPP、RTK、PPP-RTK三者之间的对比

02 PPP-RTK服务介绍   一、国外

（1）Hexagon/NovAtel——TerraStar服务

说起Hexagon，行业内很多人可能要反应个几十秒，但提到NovAtel，估计很多人会脱口而出：这不就是那个一套接收机卖十几二十万的公司吗！

NovAtel，这样一家，创造了卫星定位和校正技术先河的先驱公司，2008年以3.9亿美元卖给了Hexagon，这在当时让很多人唏嘘不已。

TerraStar服务是Hexagon/NovAtel基于全球100多个基准站数据，提供的全球高质量实时改正服务，该服务提供的改正信息通过5颗地球同步卫星（L波段）或网络进行广播传输，根据其作用范围和性能，可分为TerraStar-L、TerraStar-C、TerraStar-C PRO与TerraStar-X服务。

TerraStar-C PRO是Hexagon/NovAtel首次采用其新开发的RTK from the sky精密单点定位技术的全球改正服务，可提供包括更高采样率的卫星轨道和卫星钟差改正等信息，同时也可以实现模糊度的快速整数固定。

TerraStar-C PRO改正服务，官方介绍具有厘米级定位精度、最快3分钟实现收敛以及全球范围可用等优势，是目前世界上收敛时间最短的全球改正服务。

而TerraStar-X是在TerraStar-C PRO基础上发展而来的区域改正服务，相较于后者的全球可用性，TerraStar-X侧重在区域性运用（主要为美国部分地区），可实现厘米级定位精度和优于1分钟的收敛时间。

TerraStar各项服务精度指标如表2所示。

表2 TerraStar各项服务精度指标

（2）Trimble——RTX Fast服务

Trimble公司成立于1978年，RTK接收机之父Javad Ashjaee在这里搞出了全世界第二个商用接收机4000A，RTK算法之父Benjamin Remondi也在这里挑灯夜战过，他们共同成就了Trimble在20世纪末到21世纪初这段时间在卫星定位领域的霸主地位。

Trimble在2011年推出星基增强系统，2015年升级了区域电离层模型，支持现在常说PPP-RTK定位，其相对常规的PPP定位最大优点就是收敛时间短、固定快，所以取了个名字叫RTX Fast。

RTX Fast利用全球监测网来计算精确的卫星轨道和卫星钟差，并将改正信息实时通过地球同步卫星（l波段）或网络进行广播，移动站收到改正信息后进行位置估计，具体采用的策略包括如下几条。

（a）用数学模型精确地模拟误差源，或者使用全球或者区域网络数据进行误差估计。

（b）卫星轨道误差没有在全球或区域网络中建模，因为使用Trimble实时精确轨道或IGS超快速轨道产品可以更好地对卫星轨道进行建模。

（c）区域网络中建立卫星钟差模型，以吸收区域内出现的剩余轨道误差。

（d）其他偏差则估计为小数部分，以保持载波相位观测值的整数特性。

（e）RTX Fast服务器平均化处理来自基准站的载波和伪距观测的多路径和测站噪声。

（f）RTX Fast生成的产品和改正信息以Trimble的CMRx压缩数据格式，通过地球同步卫星L波段或网络实现实时传输。

（g）移动通过接收卫星/网络广播的RTX Fast校正信息，并与所有其他GNSS卫星信号一起，实时计算其精确位置。

以上策略也让RTX Fast可以实现2-50cm水平定位精度、5cm的垂直定位精度，同时快速模式下收敛时间优于1分钟，而常规模式下收敛时间优于20分钟。

（3）u-blox——PointPerfect服务

u-blox是车载卫星定位芯片和模组领域的出货量霸主，其主机厂朋友遍布世界各地，其为瑞士的高福利立下了汗马功劳。

PointPerfect是u-blox面向大众应用推出的GNSS增强数据服务，可通过卫星信号或网络向流动站广播，并使流动站在短时间内实现优于10厘米的定位精度。

PointPerfect采用行业标准的SPARTN消息格式，辅以轻量级和安全的MQTT物联网传输协议，使其成为一个实时高效、低带宽、高性价比的解决方案，非常适合于大众市场应用。

PointPerfect服务范围覆盖欧洲和美国大陆区域，包括距离海岸线12海里（约22公里）以内的区域。目前仅支持增强GPS（L1C/A，L2，L2C，L5）、Galileo（E1、E5a/b）和GLONASS（G1 C/A，G2 C/A）系统。

PointPerfect主要提供以下两类产品。

（a）卫星轨道、卫星钟差、硬件延迟偏差：其中卫星钟差的更新间隔为5s，卫星轨道和硬件延迟的更新间隔为30s。

（b）大气改正产品：包括VTEC模型、倾斜电离层延迟改正和天顶对流层延迟改正，其更新频率同样为30s。

在GNSS观测数据无粗差、数据接收完整且有连续的改正数据且模糊度正确固定的情况下，PointPerfect在水平方向定位精度可以达到3-6 cm（95%置信区间）。而模糊度的初始化时间则会随电离层活动而变化，一般小于30 s。

（4）QZSS——CLAS服务

准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）是日本政府在2002年授权建立，2018年正式开始工作的一个区域增强卫星定位系统。

QZSS目前采用三颗倾斜地球同步轨道卫星（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO） 和一颗地球同步轨道卫星（Geosynchronous Orbit，GEO）卫星组成。

由于日本国土位于中高纬度地区，这样卫星星座设计使得在任意时刻能保证至少有1颗卫星能位于该国天顶方向（高度角大于60），所以被称作准天顶卫星系统。

QZSS基于L6频段上的L6D信号播发增强信息，实现PPP-RTK增强服务——CLAS（Centimeter Level Augmentation Service）。L6D增强信息可以通过两种方式获得，一是通过支持CLAS的接收机接收，二是可以在QZSS官方网站上下载事后的增强电文。

CLAS服务范围为日本境内，在日本境内将服务分为12个网络，服务范围及12个网络分布如图2所示。

图2 QZSS服务范围及网络分布

地面基准站网由日本境内的1300多个CORS中的212个组成，站点间的间隔约为60 km。这些基准站的主要作用是接收GNSS卫星的原始观测数据并通过网络发送至数据处理中心,数据处理中心通过网解得到卫星的轨道、钟差、码偏差、大气等信息，并将这些数据注入卫星或通过通信网络播发给用户，用户接收到这些改正信息后即可进行PPP-RTK定位。在进行数据播发时，电离层和对流层均以格网的形式播发。

目前CLAS服务仅支持GPS（L1C/A，L1C，L2P，L2C，L5）、Galileo（E1B，E5a）和QZSS（L1C/A，L1C，L2C，L5）系统，未来将支持GLONASS和BDS系统。

在所有被增强的卫星都用于PPP-RTK定位、没有周跳的卫星数大于等于5、卫星截止高度角设为15度等条件满足后，CLAS服务可达到的定位精度如表3所示。模糊度固定时间在95%置信区间一般小于等于60s。

表3 CLAS服务定位精度

二、国内

国内染指PPP-RTK领域的有千寻位置、六分科技、大有时空、时空道宇等，各家产品各有千秋，下文基于官网信息简介几个产品。

（1）六分科技

2023年4月18日，六分科技在上海车展期间发布PPP-RTK新品“星璨”，产品架构如图9所示。

图9 六方科技PPP-RTK新品“星璨”

官网只介绍了其具有实施车道级定位、亿级用户并发、适配车规级芯片、功能安全、高连续性、高稳定性等特点，但具体性能参数如何，未对外公布。

（2）大有时空

2023年1月4日，大有时空正式发布PPP-RTK产品，官方介绍产品定位精度可达2cm，收敛速度可达30秒。

目前有两种模式为终端用户提供高精度定位服务，一种是大有时空定位平台通过账号直接播发给终端用户，二是大有时空定位服务转发至战略合作伙伴播发服务平台，由合作伙伴服务平台播发给终端用户。

而通过和海克斯康集团合作（海克斯康负责北美、欧洲的CORS网建设和数据中心的独立运维，大有时空负责中国的CORS网建设和数据中心的独立运维），大有时空的PPP-RTK产品可为全球用户提供服务。

（3）时空道宇

提到时空道宇，就不得不提“一箭九星”，2022年6月2日，吉利未来出行星座首轨九星在西昌卫星发射中心以一箭九星方式成功发射。

根据时空道宇的技术说明，此次发射的九颗卫星，搭配时空道宇已经建设完成的地基PPP-RTK时空信息网络，以及北斗三号模组、终端产品，可以实现遥感、导航、通信技术的融合应用，为未来出行提供立体化保障。

所以时空道宇PPP-RTK产品的与其他产品的最大不同将是：拥有自己的播发卫星，而其他家只能租用播发卫星。

03 写在最后

技术收敛是技术大规模落地的前提，真心期望PPP-RTK能尽快统一高精定位领域，为自动驾驶的量产落地贡献一份力量。

编辑：黄飞