實(shí)測(cè) | 網(wǎng)絡(luò)RTK與PPP-RTK真實(shí)性能對(duì)比

作者：Patty?Felts，u-blox產(chǎn)品中心服務(wù)部門(mén)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

在地球上高精度定位人員、動(dòng)物或物體需要使用GNSS接收機(jī)，也需要網(wǎng)絡(luò)RTK校正服務(wù)的支持，此類(lèi)服務(wù)需要考慮到大氣、衛(wèi)星鐘偏移和信號(hào)延遲造成的誤差。

有三種標(biāo)準(zhǔn)方法可以校正這些誤差：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)、精密單點(diǎn)定位(PPP) GNSS校正服務(wù)，以及PPP-RTK（兩者的組合）。除此之外，還需要配套的設(shè)備來(lái)提高定位精度，例如勘測(cè)級(jí)GNSS接收機(jī)或大眾市場(chǎng)智能天線(xiàn)。任何以上方法與配套設(shè)備相結(jié)合，都能優(yōu)化終端應(yīng)用的定位精度。

許多GNSS導(dǎo)航應(yīng)用都有著高精度要求?？睖y(cè)級(jí)GNSS接收機(jī)的精度高于大眾市場(chǎng)智能天線(xiàn)能提供的精度。當(dāng)然，這不無(wú)代價(jià)。大眾市場(chǎng)智能天線(xiàn)的精度足以滿(mǎn)足一些高精度GNSS導(dǎo)航應(yīng)用的要求，包括運(yùn)輸、電動(dòng)車(chē)、IoT應(yīng)用場(chǎng)景和機(jī)器人。設(shè)計(jì)人員致力于為設(shè)備配備可靠、高精度的定位系統(tǒng)，同時(shí)也要將成本控制在合理范圍內(nèi)。

GNSS用戶(hù)可以通過(guò)實(shí)際路面測(cè)試來(lái)驗(yàn)證設(shè)置的能力水平。這讓他們可以了解這些設(shè)置的性能，并加以對(duì)比。

Aptella（之前的品牌名稱(chēng)為Position Partners）是澳大利亞的一家自動(dòng)化和定位技術(shù)解決方案提供商，他們擇機(jī)測(cè)試和對(duì)比了網(wǎng)絡(luò)RTK與PPP-RTK GNSS校正服務(wù)的功能，并為客戶(hù)提供了測(cè)試結(jié)果。

我們將探討這些結(jié)果，不過(guò)首先，我們來(lái)盤(pán)點(diǎn)一下RTK、PPP和PPP-RTK方法的工作原理、所需設(shè)備，以及這次測(cè)試的參與者。

網(wǎng)絡(luò)RTK、PPP GNSS和PPP-RTK

上述校正方法采用的路線(xiàn)是不同的。RTK GNSS校正服務(wù)通過(guò)對(duì)比一個(gè)或多個(gè)參考站的衛(wèi)星信號(hào)來(lái)計(jì)算并校正GNSS誤差。隨后檢測(cè)到的任何誤差都會(huì)使用基于IP的通信途徑傳輸，即便在最近基站30公里半徑以外，仍能保持可靠性。網(wǎng)絡(luò)RTK通常需要GNSS接收機(jī)與服務(wù)之間的雙向通信，因此這類(lèi)解決方案的推廣難度更大。這種方法可在幾秒鐘之內(nèi)提供厘米級(jí)定位精度。

精密單點(diǎn)定位(PPP) GNSS校正服務(wù)則采用截然不同的工作方式。它們會(huì)通播在一個(gè)較大的地理區(qū)域內(nèi)有效的GNSS誤差模型。不同于RTK，此服務(wù)僅需要單向通信（基于IP或通過(guò)衛(wèi)星L-band），因此更容易擴(kuò)展推廣。

PPP高精度定位需要3分鐘到半小時(shí)之間，以提供精度在10厘米以?xún)?nèi)的位置估計(jì)。勘測(cè)或測(cè)繪等靜態(tài)應(yīng)用通常會(huì)使用這種解決方案，但這種解決方案不太適合無(wú)人駕駛飛行器或移動(dòng)機(jī)器人等動(dòng)態(tài)應(yīng)用。

最近，這兩種方法合二為一，稱(chēng)為PPP-RTK GNSS校正服務(wù)，或稱(chēng)為狀態(tài)空間表示(SSR) 校正服務(wù)。這種組合結(jié)合了RTK網(wǎng)絡(luò)的精度和快速初始化時(shí)間與精密單點(diǎn)定位的通播性質(zhì)。與PPP類(lèi)似，該方法基于在廣泛的地理位置保持有效的GNSS誤差模型。一旦GNSS接收機(jī)通過(guò)單向通信獲得這些PPP-RTK校正數(shù)據(jù)，這種方法就會(huì)計(jì)算GNSS接收機(jī)的位置。

勘測(cè)級(jí)GNSS接收機(jī)與智能天線(xiàn)對(duì)比

勘測(cè)級(jí)接收機(jī)通常用于大地勘測(cè)和測(cè)繪應(yīng)用。旨在為土木工程、建筑、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、土地開(kāi)發(fā)、采礦和環(huán)境管理提供高度精準(zhǔn)的定位信息。

當(dāng)今的模塊可從多個(gè)衛(wèi)星星座獲取數(shù)據(jù)，并支持網(wǎng)絡(luò)RTK。這些設(shè)備通常非常昂貴，每臺(tái)售價(jià)可達(dá)到數(shù)千美元，原因就在于它們高度精確，精確度從厘米到毫米不等。

大眾市場(chǎng)智能天線(xiàn)是專(zhuān)用的接收機(jī)/天線(xiàn)集成設(shè)備，旨在接收衛(wèi)星星座的信號(hào)和開(kāi)箱即用的GNSS校正服務(wù)。智能天線(xiàn)會(huì)捕捉并處理原始數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。獨(dú)立的GNSS天線(xiàn)不分精度等級(jí)，因?yàn)榫鹊燃?jí)取決于與天線(xiàn)搭配使用的集成GNSS接收機(jī)和校正服務(wù)。

大眾市場(chǎng)智能天線(xiàn)的價(jià)格要比勘測(cè)級(jí)GNSS接收機(jī)更低，但性能要略遜一籌，精確度從數(shù)厘米到數(shù)分米不等。

以下測(cè)試使用勘測(cè)級(jí)GNSS接收機(jī)在靜態(tài)模式下驗(yàn)證控制坐標(biāo)，并在運(yùn)動(dòng)模式下比較RTK與PPP-RTK的結(jié)果。這些靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試中還使用GNSS智能天線(xiàn)作為配套設(shè)備。

合作開(kāi)展性能測(cè)試

Aptella公司執(zhí)行了性能測(cè)試，并向客戶(hù)提供了測(cè)試結(jié)果。但另外四家公司的參與合作也至關(guān)重要。

AllDayRTK運(yùn)營(yíng)著澳大利亞密度最高的連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)網(wǎng)絡(luò)。本次測(cè)試使用其網(wǎng)絡(luò)RTK校正服務(wù)與PPP-RTK進(jìn)行比較。

u-blox PointPerfect為這些測(cè)試提供了PPP-RTK GNSS校正服務(wù)。?

這兩項(xiàng)校正服務(wù)與Topcon HiPer VR勘測(cè)GNSS接收機(jī)和大眾市場(chǎng)智能天線(xiàn)Tallysman TW5790配合使用。

測(cè)試兩種校正服務(wù)

在澳大利亞墨爾本市，Aptella圍繞幾個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試：

使用Tallysman TW5790等大眾市場(chǎng)GNSS設(shè)備測(cè)試RTK和PPP-RTK GNSS校正。

展示Tallysman智能天線(xiàn)與PPP-RTK校正配合使用時(shí)的功能。

評(píng)估PointPerfect PPP-RTK GNSS校正，并對(duì)照公開(kāi)的規(guī)格評(píng)估“實(shí)際”結(jié)果。

確定這些規(guī)格是否符合大眾市場(chǎng)應(yīng)用和電動(dòng)車(chē)安全要求（30厘米@95%）。

提供適合PPP-RTK校正的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用的深入見(jiàn)解。

靜態(tài)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)這些測(cè)試，專(zhuān)家對(duì)RTK與大眾市場(chǎng)Tallysman智能天線(xiàn)支持的PPP-RTK GNSS校正服務(wù)的精度進(jìn)行了比較。? 他們還驗(yàn)證了u-blox公布的PPP-RTK性能規(guī)格。

首先，使用勘測(cè)級(jí)Topcon HiPer VR GNSS接收機(jī)在靜態(tài)模式下驗(yàn)證控制坐標(biāo)。在獲得這些數(shù)據(jù)后，再改用Tallysman智能天線(xiàn)。

下表匯總了PPP-RTK和RTK兩種方法的代表性結(jié)果。兩者的水平（平面）精度類(lèi)似，但PPP-RTK的垂直精度低于RTK。

RTK和PPP-RTK的水平精度均在厘米范圍內(nèi)。相比之下，RTK的垂直精度保持在厘米范圍內(nèi)，但PPP-RTK的校正誤差在分米范圍內(nèi)。

此外，大眾市場(chǎng)設(shè)備的精確度在公布的規(guī)格范圍內(nèi)，即使在有障礙物的情況下，也能達(dá)到30厘米@95%的定位（平面）要求。但在測(cè)量高度時(shí)，這些坐標(biāo)的精確度不如2D水平坐標(biāo)的精確度。RTK的水平定位絕對(duì)精度與大眾市場(chǎng)要求的30厘米@95%相符，但在垂直方向比PPP-RTK更精確。

動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

在墨爾本的街道上，Aptella專(zhuān)家測(cè)試了RTK和PPP-RTK校正在不同動(dòng)態(tài)模式下的運(yùn)行速度，例如在開(kāi)闊天空下步行和在不同環(huán)境中駕車(chē)。

RTK網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試設(shè)置包括AllDayRTK校正和勘測(cè)級(jí)GNSS接收機(jī)。另一方面，u-blox PointPerfect和Tallysman智能天線(xiàn)為PPP-RTK測(cè)試設(shè)置提供支持。兩種設(shè)置的天線(xiàn)均安裝在車(chē)頂，并在不同路線(xiàn)上行駛，以確保遇到各種GNSS條件。

在開(kāi)闊天空環(huán)境下步行：這項(xiàng)測(cè)試包括沿河岸散步。比較結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者相差無(wú)幾，這證明PPP-RTK非常適合大眾市場(chǎng)應(yīng)用。

不同條件下的道路駕駛：這項(xiàng)測(cè)試包括在墨爾本道路上不同條件下的駕駛，包括開(kāi)闊天空和GNSS部分或全部遮擋的情況。路線(xiàn)包括橋下行駛和具有多徑效應(yīng)的區(qū)域。測(cè)試開(kāi)始時(shí)，區(qū)域中的植被阻礙了智能天線(xiàn)的IMU初始化。駕駛測(cè)試期間沒(méi)有使用IMU/慣性導(dǎo)航功能。

車(chē)輛通過(guò)鐵軌下的長(zhǎng)隧道時(shí)取得的結(jié)果至關(guān)重要。在這種情況下，盡管環(huán)境不利，PPP-RTK方法仍然報(bào)告了位置。此外，PPP-RTK的重新收斂時(shí)間僅比RTK略慢一點(diǎn)。

第二次測(cè)試獲得的另外一個(gè)結(jié)果是，在經(jīng)過(guò)較短的橋梁時(shí)，Tallysman智能天線(xiàn)的定位結(jié)果似乎沒(méi)有偏離路徑。

駕駛途中的中斷：為了測(cè)試中斷，本次測(cè)試使用了較長(zhǎng)時(shí)間維持對(duì)GNSS極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境，即車(chē)輛駛過(guò)墨爾本板球場(chǎng)人行天橋。PPP-RTK解決方案保持了行進(jìn)軌跡，并有效地跟蹤了路線(xiàn)（黃色）。另一方面，RTK網(wǎng)絡(luò)解決方案報(bào)告了位于公路之外、鐵軌上的位置。在這種中斷情況下，RTK需要很長(zhǎng)時(shí)間才能重新收斂到固定解。

開(kāi)闊天空駕駛：最后的公路測(cè)試是在開(kāi)闊天空環(huán)境下進(jìn)行的，兩種設(shè)置的表現(xiàn)類(lèi)似。這些設(shè)置都能提供車(chē)道級(jí)精度，適合大眾市場(chǎng)應(yīng)用。但為了全面評(píng)估PPP-RTK在這些條件下的準(zhǔn)確性和可靠性，還需要進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證和進(jìn)一步測(cè)試。

結(jié)束語(yǔ)

Aptella進(jìn)行了五次靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，有助于評(píng)估不同設(shè)置在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)體定位方面的有效性。

通過(guò)靜態(tài)測(cè)試，Aptella得出結(jié)論，PPP-RTK與Tallysman智能天線(xiàn)配合使用時(shí)，可提供厘米級(jí)精度，性能與RTK相仿。但垂直精度卻并非如此，PPP-RTK的垂直精度可達(dá)到分米級(jí)。

在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，Aptella獲得了重要結(jié)果，尤其是在環(huán)境無(wú)法與GNSS順暢通信的情況下。即使沒(méi)有IMU或慣性導(dǎo)航，PPP-RTK在車(chē)道級(jí)追蹤方面的表現(xiàn)依然出色。在鐵路橋和地下通道等短時(shí)間中斷情景下，PPP-RTK保持了可接受的軌跡，而RTK則需要很長(zhǎng)時(shí)間才能從這些具有挑戰(zhàn)性的條件中重新收斂。

總體而言，Aptella已經(jīng)證明，PPP-RTK和GNSS智能天線(xiàn)的組合提供的結(jié)果適合需要厘米級(jí)水平精度的大眾市場(chǎng)應(yīng)用。

如前文所述，勘測(cè)級(jí)設(shè)備精確度確實(shí)很高，但價(jià)格昂貴。在要求高度定位精度出色的大地勘測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景中，建議將勘測(cè)級(jí)GNSS接收機(jī)與網(wǎng)絡(luò)RTK校正服務(wù)結(jié)合使用。

另一方面，使用PPP-RTK校正的大眾市場(chǎng)智能天線(xiàn)設(shè)備價(jià)格較低，但精確度也略低一些。盡管如此，這類(lèi)設(shè)備依然非常適合不需要勘測(cè)級(jí)GNSS高度的靜態(tài)應(yīng)用。

對(duì)于許多高精度導(dǎo)航應(yīng)用，如運(yùn)輸、電動(dòng)車(chē)和移動(dòng)機(jī)器人，PPP-RTK足以達(dá)到這些終端應(yīng)用所需的性能水平。智能天線(xiàn)設(shè)備的價(jià)格相對(duì)低廉，而且PPP-RTK能向所有端點(diǎn)通播單一校正流，因此可以更輕松地從少數(shù)幾臺(tái)原型設(shè)備擴(kuò)展到大型移動(dòng)IoT設(shè)備群。