GNSS高精度、授时和资产管理解决方案概述——《GNSS用户技术报告》简介之五

● 文 |中国国防科技信息中心 王欢 席欢

GNSS高精度、授时和资产管理解决方案概述
——《GNSS用户技术报告》简介之五

● 文 |中国国防科技信息中心 王欢 席欢

2016年10月5日，欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）发布《GNSS用户技术报告》（以下简称《报告》）。《报告》旨在帮助用户了解接收机技术及其发展趋势，帮助工业界制定相关技术开发、采购、使用计划与决策。《报告》主要包括三部分：大众市场解决方案、交通安全与法律责任关键产品以及高精度、授时和资产管理解决方案。本文主要对高精度、授时和资产管理解决方案部分进行整理，供读者参考。

GNSS；授时；资产管理

一、GNSS用户技术的主要特征和关键性能参数

高精度、授时和资产管理解决方案，包括在每个特定领域拥有所需关键性能参数的接收机和技术，其中需要高定位精度的领域包括农业、测绘和建筑等。一方面，这些领域很大程度上依赖一个或多个已经成熟的定位增强技术，提供所需的定位精度；另一方面，在地理信息系统/测绘领域使用免费的星基增强系统（SBAS）或差分GNSS（DGNSS）系统，要求定位精度达到约1m的精度水平。其他应用领域包括资产管理、授时和同步则使用单频接收机，因为单频接收机已经可以为其提供令人满意的性能。但授时实验室是一个例外，需要使用非常高等级的计量GNSS接收机。

值得注意的是，最关键的性能参数种类繁多，而不同的领域需要的关键性能参数不尽相同。

●对于农业应用来说，关键性能参数包括：

精度：很多农业应用需要较高的定位精度完成农业活动，例如机械控制（播种和变量控制应用）。多径和信号盲区问题的缓解将有益于高精度的应用需求。

可用性：某些农业活动必须在特定的时间、特定的日期进行，在这期间的信号中断将造成严重的后果。

强健性：自动机械制导需要考虑安全关键要素，确保农业应用免遭潜在的欺骗和干扰影响。

●对于资产管理、地理信息系统和测绘应用领域，关键性能参数包括：

完好性：完好性的缺失可能导致错误的收费或罚款，进而破坏整个应用。

强健性：易受干扰或无法检测欺骗可能使应用失效。

可用性：在地理信息系统/测绘领域具备可用性至关重要，因为信号中断将造成巨大的损失。

●对于测量应用领域，关键性能参数包括：

精度：根据具体应用，可能需要厘米级的准确度。

完好性：根据具体应用，完好性的缺失将造成巨大损失。

强健性：某些特定应用或将受益于生效的位置记录。

可用性：信号中断将造成严重的工期延迟。

●对于建筑工程应用，关键性能参数包括：

精度：取决于具体应用，可能需要厘米级定位精度。

完好性：取决于应用，完好性缺失将造成巨大损失。

强健性：取决于应用，强健性缺失将造成巨大损失。

可用性：信号可用性的缺失将造成巨大损失。

●对于同步授时应用，关键性能参数包括：

可用性：需要保证全天候、24小时提供授时服务。

强健性：有些应用需要考虑安全关键要素，避免潜在欺骗和干扰是必要的。尤其是关键基础设施网络的同步，如电信网络、金融、配电系统。

完好性：法律应用需要精确的时间戳。

精度：虽然对于很多应用而言，入门级接收机即可满足精度需求。但是对于新兴应用，比如4G/5G电信网和4K数字视频广播（DVB），需要更好的同步授时精度。而对于授时实验室来说，精度显然是最主要的参数，且稳定性和精确性必须保持原子钟水平。

二、GNSS应用行业规划

专业级接收机可以细分为以下几类：①测量接收机（大地测量级参考站接收机和测量级接收机）；②机械控制接收机（农业和建筑业接收机）；③地理信息系统/测绘的通用接收机；④追踪和监测接收机（资产管理）；⑤授时接收机。

虽然各个领域使用接收机的用途不尽相同，且供应商来源广泛，但主要是基于少量制造商生产的GNSS接收机模块设计生产，模块是由芯片组成，归根到底，接收机是基于极少数厂商生产的GNSS芯片组。通常，这些芯片组是专有设计，它们的更新换代推动市场向前发展。每一代最新研发的芯片组都是基于最新的专用集成电路（ASIC）技术，尽量满足多数应用需求并具备模块级可扩展功能。

模块，特别是低端模块，通常不会利用芯片组提供的所有功能。特别是现代芯片组通常包括强大的微处理能力，模块可以进一步定制，并嵌入到市场特殊性能需求的固件中，同时，使用制造商提供的认证密钥还可以在购买后进一步升级。

1.大地参考站和测量接收机

测地级参考站接收机主要用于永久性网络（商业、机构和科学），支持从日常边界测量到地壳形变监测等各种各样的应用。永久性GNSS网络的操作员经常是新星座的首批使用者，因为他们希望在新的星座发射第一颗卫星时或之前，就将接收机安装到位。

鉴于专用集成电路和电池技术的发展进步，便携式天线和接收机组合一体机面世——通常称之为“智能天线”方式，这种设计使功耗降低成为可能，同时由于其收益可观，在移动测量接收机中得到了广泛应用。此类接收机一般是由少数制造商生产销售，并与其他的地球科学仪器进行纵向集成。这些核心技术制造商通常也会将他们掌握的GNSS技术卖给系统集成商。

2.机械控制接收机

机械控制接收机可进行机械导引，主要应用在土木工程和农业部门。接收机产品巨大的潜在市场意味着这些产品将根据特定行业进行设计。与测量接收机一样，智能天线方式在机械控制接收机市场已经广泛流行，因为其极大地简化了在主承载车辆上的安装过程。在这种情况下，鉴于主机能源的可用性，功耗将不是主要的考虑因素。

机械导引接收机也与外部控制器（提供人机接口）、行业专用控制软件、车辆控制系统接口一起使用。由于这些导向系统的复杂性，人们一般直接购买一体化的主机。但是，特别是在农业部门内部，根据生产季节，在机器之间移动智能接收机的的关键组件也并非罕见。这些产品的“核心技术”是由相同的制造商生产的，同测绘领域的接收机产品一样，机械导引接收机中使用的“核心技术”是由相同的制造商生产的，尽管这些产品通过不同的渠道（如农业机械供应商）进行包装、集成并上市。

3.地理信息系统/测绘、追踪和监测使用的通用接收机

用于地理信息系统/测绘、追踪和监测领域的通用接收机要达到米级定位精度，单频或星基增强系统接收机产品即能满足需求。测绘应用要求分米级的定位精度，使用的主要是测量级的接收机。

针对通用测绘和数据收集市场的需求，将使用智能天线接收机，并尽可能采用手持方式。这些产品由公司的同一组人员开发和销售，而他们通常与擅长移动计算方案的集成商合作。

鉴于跟踪和监测应用的精度需求为1～10m，可以使用成本较低的单频GNSS模块，其形状规格和外在功能的选择取决于跟踪单元特定的应用和系统。鉴于此，这些领域的市场非常分散，通常是由较小的制造商将其产品集成到大型GNSS接收机和通信模块制造商生产的模块。这些单元通常有特殊要求，如防篡改制造，以满足主系统的需求。

4.授时接收机

授时参考接收机使用于昂贵的装备，如代号为k的时间实验室产生和保持的标准时间：UTC（k），主要由少数专业标准制造商、原始设备制造商或特定领域集成商设计和制造。

通用授时接收机（板卡、模块、智能天线）主要由大多数GNSS技术提供商或组件制造商提供。这些接收机通常由专业公司集成在专用的T/S终端（和所有需要的接口），特别是针对关键基础设施同步处理的产品。

三、双频接收机将显著提升精度和完好性

1.采用多星座模式

同其他两个领域相比，专业领域接收机支持的星座最多。由于测量、地理信息系统/测绘、建筑和农业市场范围相对较小，且产品使用周期较长。那么，与大众市场和交通市场相比，接收机更新换代更需具有前瞻性和持久性。同时，再加上高性能（准确性、完好性和其它性能）的需求，形成了对多星座的早期支持。

当前，制造商产品生产线中的大多数产品均能够支持多个星座。然而，产品的生命周期过长就意味着许多仅能支持GPS星座的早期产品仍在使用。从成本和功耗两方面考虑，车队和资产追踪应用通常使用仅支持GPS的产品，而低精度地理信息系统/测绘接收机则具有星基增强系统功能。

2.采用多频模式

在测量领域使用的双频接收机需具备高精度要求（＜5cm）。未来，三频接收机将变得越来越重要。永久性参考站接收机将能够接收“视野内所有的卫星和信号”，用于支持所有类型的处理和移动接收机。

在农业领域中，特别是对于机器控制等应用需要相当高的精度，这意味着从实际应用角度出发，双频接收机成为现实需求。如果Galileo商业（CS）服务在市场上被采用，那么，三频接收机将极有可能得到普及。

从成本因素出发，地理信息系统/测绘、追踪和监测通常采用单频接收机。对于依赖集成电源的追踪器，最重要的驱动因素是将能耗降到最低。同步和授时领域主要采用单频接收机。但时间转移实验室接收机（计量装备）是一个例外，它使用所有可用的频率和信号。

四、典型先进接收机分析

1．GNSS通道数量

在典型的体系结构中，接收机向每个跟踪信号（代表一个频率和来自单独卫星的信号分量）分配一个通道。尽管目前的设备已经可以支持约12个通道，但能够支持更多通道的接收机将成为未来的发展趋势。半导体技术的发展同样也在推动接收机向前发展。因此，尽管典型数值要求是能处理200个信道，但现有的一些测量接收机已能够处理高达864个信道。这使得接收机能够支持所有现有的和计划中的星座和频率，包括星基增强系统。

鉴于受益于多频信号处理，接收机可以消除GNSS信号中的频率相关误差，提高接收机精度。典型的示例是电离层延迟的校正，因为这是造成整体测量误差的主要因素。然而，在成本、尺寸、功耗、性能、信号、频带滤波，以及模拟电路质量中则需权衡得失。

2.增强服务

从技术的角度来说，用户对关键性能参数的应用需求驱动了商业GNSS增强服务的出现。比如，如果没有类似公开增强服务性能的服务，农业机械制导或测量应用所需的精度将无法实现。历史上，载波相位差分技术实现了这一需求。今后，精密单点定位技术将为之持续提供增强服务。这意味着现有的专业GNSS接收机包含了可接收商用DGNSS服务的L频段数据链接收机、超高频数据链或者蜂窝无线电模块，用于支持载波相位差分技术和网络载波相位差分技术服务。相关的定位求解算法和有条件访问功能，需要增加固件才能实现上述能力。

3.电源和机载通信

不同于大众市场，专业应用接收机通常能够接入电源，将功耗降低也不是问题。这使得接收机能在不用考虑能耗的情况下，能够处理更多的GNSS频道。其中，典型案例是针对便携式土地测量设备、测站设置和地理信息系统/绘图市场的专业接收机，以及一些没有安装外接电源的资产管理模块。

为了支持载波相位差分技术、网络载波相位差分技术和卫星递送的实时精密单点定位服务，现代化的GNSS接收机为这些市场（比如测量和农业）设计并提供了集成的数据链能力，且可以通过下列的一种或多种方式实现：特高频无线电波数据链调制解调器、3G或4G蜂窝数据链模块以及L频段移动卫星服务数据链接收机。

4.天线

典型的测量、参考级或机械控制接收机将利用外部安装的天线，通常包括一个低噪放大器和一些射频滤波降低馈线损耗，还可以采用许多减轻多径干扰的技术。未来，相控阵天线复杂的零增益控制可作为一种普遍的方法来克服有意或无意的干扰造成的影响。对便携式单元来说，天线通常集成在GNSS接收机中。

五、发展趋势

1.技术发展将使低成本接收机具备厘米级测量精度

在高精度、授时和资产管理解决方案中使用GNSS的主要技术趋势和前景受以下因素影响：①高精度解决方案（比如多星座、多频、Galileo CS高度）的显著改善;②低成本设备可用性的增加（比如高性能手持设备、支持星基增强系统的设备、更经济实惠的GNSS 载波相位差分技术解决方案）。而只考虑高精度解决方案的情况是：①精密单点定位技术的采用；②将GNSS集成到农场管理系统中的其他技术（激光雷达、激光扫描仪、遥感和机器人）。

专业应用领域对高精度有很高需求。在大多数情况下，多星座能极大地帮助确保接收机满足高精度需求。专业应用领域使用的大多数（85%）接收机已经安装至少可以跟踪两个星座（40%可以跟踪4个全球星座）的软件。

此外，Galileo CS服务和GPS L5频段的引入，将使高精度需求获得三频接收机解决方案。这将能够显著减少精密单点定位和差分技术的收敛时间。

未来，具备三频能力的大地测量参考站、测量和机械控制接收机的重要性将大大增加。由于这些接收机和增强服务综合使用，服务供应商将需要一段时间来升级自身的网络、改正格式和算法，并在新的服务上线之前进行测试。这也是网络运营商在一些国家提供升级服务的原因，确保供应商在新星座初具规模时提升效益，且终端满足用户需求。

在地理信息系统/测绘通用接收机领域，专业用户倾向于使用消费级手持设备，比如使用智能手机或平板电脑来进行数据获取和资产管理任务。或者，这些设备和专业接收机相连，在保持高精度和稳定性的同时，为用户提供舒适性和友好性服务，并节省手机和平板电脑的耗电。GNSS接收机价格下降、精度提高，将地图转变得更人性化。

基于GNSS单频实现的资产和车队管理接收机市场已经成熟，对性能需求的条件降低。但是，不久的未来双频接收机将能够实现，且得到广泛应用。

与此同时，授时实验室接收机将继续与大地测量接收机（所有信号）共享许多性能。而且，在关键基础设施中使用的T/S接收机将采用多星座甚至双频模式，并逐渐采用验证功能。最后，高精度的需求（4G和5G电信，DVB-T）将极有可能推动双频信号的应用。

2.精密单点定位和集成解决方案正在农业和测量领域兴起

（1）精密单点定位的兴起

载波相位差分技术领域的变化体现在以下几个方面：①载波相位差分技术 GNSS接收机“板卡”的普及；②在GNSS卫星能见度的热点区域，中国是载波相位差分技术解决方案快速增长的市场之一；③由一些国家测绘机构与商业供应商运营的主动和被动参考站与载波相位差分技术参考站网络的广泛应用；④由于市场饱和以及新兴的精密单点定位解决方案的激烈竞争，载波相位差分技术GNSS接收机价格显著降低。

上述因素推动了厘米级水平/垂直精度的低成本、双频（L1/E1和L5/E5）接收机的兴起。这些接收机的广泛使用也使得载波相位差分技术广泛应用到一系列高精度应用中。同时，特别是在实施环境中，尽管精密单点定位解决方案存在挑战，但作为DGNSS解决方案的替代品，仍然得到越来越多的认同，且在亚米级精度用户中流行。对于没有载波相位差分技术支持的运行环境中（如远洋环境）的用户来说更是如此，在一些没有永久性网络的地区，投资载波相位差分技术系统的成本要高于精密单点定位解决方案，前者需要2台接收机和1条数据链路，而后者只需要1台接收机。因此，在厘米级精度应用中，尽管载波相位差分技术能够提供实时解决方案，且仍旧是首选方案，但精密单点定位解决方案因其设备需求量小以及全球可用的特性，将成为极具潜力的替代方案。

（2）GNSS及其互补技术的集成解决方案

专业部门（测量和建筑）由于受到严格需求的影响，在采用创新技术方面往往具有一定的前瞻性。在过去几年中，一些“工具”已经为高精度用户使用：① 3D激光扫描仪。可从静态位置扫描水平和垂直场地，3D扫描仪收集用于建筑或土地的数字3D模型密集点云。②全站仪。使用激光器红外光束和电子数据记录系统，经纬仪用于电子计算厘米级精度的距离。全站仪的机器版本已处于使用状态，允许测量人员进行远程操控。③激光雷达和摄影测量摄像头。通常安装在飞机上，激光雷达通过照射不同的目标计算光的反向散射进行测量。使用不同波长的激光雷达可以创建精巧的3D点云模型，并从不同角度进行展示。

GNSS接收机将上述技术进行集成，提供测量所需的传感器坐标，包括初始位置和坐标的进一步测量。这适用于水文测量（多波束测深仪+惯性测量单元+GNSS）、油气管道的基础设施可视化（激光雷达+GNSS+惯性测量单元）、地籍测量（全站仪+GNSS）和地理参考激光扫描数据收集（陆地、机载和移动）。

（3）GNSS是综合农业管理的支柱

农业领域受到技术影响后最明显的趋势是将数据和技术集成为全方位解决方案。这种互补的解决方案已经上市，包括卫星遥感技术、众多农业实践中无人机的使用、以及连通性（大数据分析、物联网、未来互联网解决方案的部署均可在高度数字化和互联框架中显现）。

综合农场管理收集、处理、存储和提供管理现代农场所需的数据。GNSS将数据链接到特定的地理坐标中，并提供地理位置、跟踪和定位，起着至关重要的作用。

农场作物空间和时间变异性数据中使用的技术不同，这些技术都将为农民提供决策制定和管理策略。综合农场管理解决方案在这方面结合了实时建模和数据收集，该方法使农场顾问能够开发专用的解决方案，帮助个体农场或者集体农场作出更好的决策。GNSS是构成这种综合管理系统的关键，能够实现收集数据的“特定场地”的范围，并将其归入管理战略。

尽管这种综合解决方案日渐流行，但仍然存在许多挑战，具体需求包括开发数据管理的新商业模型，发展共享和开放的数据源，处理数据所有权问题并构建用于数据存储的IT基础设施。