千寻位置PPP技术新突破，无区域站条件下实现1分钟快速收敛

“科技自立自强是国家强盛之基、安全之要。”2020年 7月 31日,北斗三号卫星导航系统完成全球组网,意味着时空信息重大基础设施已经完全掌握在自己的手里。两年过去,北斗系统的应用构建了一条成熟的产业链,同样,唯有自主创新,才能把科技命脉掌握在自己的手中。

日前,千寻位置“六脉神剑”六大底层技术系列浮出水面,今天我们来看千寻位置如何攻破无区域站快速收敛PPP技术,在全球范围内的任何地方提供快速、高效、可靠的高精度定位服务。

“往年播种,设备信号经常不稳定,有时候索性就没信号了。”新疆塔城的玉米种植户摆师傅说。

塔城位于新疆西北边陲区域,在这里常常出现通讯网络中断的情况。千寻位置农机自动导航设备可以克服网络信号缺失、区域站网覆盖不足的难题,快速实现厘米级高精度作业。

这背后,靠的是千寻位置算法工程师们对星基增强定位技术收敛性能的死磕——在不依赖卫星导航区域加密站、无需大气产品辅助的情况下,依然能够快速可靠地获得高精度定位结果,收敛时间平均1分钟,最快可在几十秒达到收敛。

“我们将这项技术称为无区域站快速收敛PPP技术,该技术由于不依赖大气产品,可大大减小全球建站成本,并可通过较小的播发带宽实现卫星/网络双链路全球覆盖。”千寻位置高级算法专家徐坤说。

千寻位置是国内首个获得该技术能力并将其商用落地的企业,在全球范围内的任何地方都能提供快速、高效、可靠的高精度定位服务。

千寻位置PPP技术性能VS传统PPP技术性能

收敛时间:传统PPP技术的“难言之隐”

农机自动驾驶设备之所以依赖网络、区域站网,主要原因是他们大多用的是实时动态定位RTK技术。传统的 RTK技术虽然收敛很快,但覆盖范围仍有一定限制。定位目标必须处在通信信号覆盖的范围之内,在海上、沙漠、海外等地区,则形成了大范围的定位盲区。

与之互补的是精密单点定位PPP技术。PPP技术通过对卫星定位误差进行精确建模并播发给用户,摆脱数据传输对于互联网的依赖,用户通过卫星链路也可以获得精确的定位结果。

但传统的PPP技术通常需要十到几十分钟不等的初始定位时间才能收敛到厘米级的精度,这么长的时间显然无法满足无人机飞控、农机导航、智能驾驶等高实时性高精度应用场景的要求,如何缩短PPP初始化时间,是提升用户体验的重要因素。

缩短收敛时间,一场关于时间的较量

随着北斗卫星导航系统、伽利略卫星导航系统全球组网完善,以及终端接收机多系统支持升级,在PPP模糊度固定技术的加持下,多系统PPP技术的收敛时间有了显著的提升,从几十分钟缩短到十分钟量级。

当业内普遍对优于10分钟的PPP收敛时间感到满意时,千寻位置技术团队没有止步于此,而是考虑如何有效应用多系统多频的卫星导航信号。在千寻位置全球框架站的基础上,从服务端算法、终端算法持续突破,改善PPP收敛性能,死磕收敛时间指标。

随着北斗三号全球系统的建设,千寻位置在全球迅速部署建立了上百个能支持跟踪北斗三号全系统全频点卫星信号的框架站,同步提供全球增强服务。“有了北斗全球化服务的支撑,以及我们拥有全球框架站的天然优势,为计算高精度的卫星端误差改正数产品提供了强大的保障,这让我们看到了PPP收敛性能改善的可能性。”千寻位置算法专家昌胜骐说。

有了全球框架站的支撑,在服务端算法层面,高精度的卫星轨道钟差产品,是实现PPP快速收敛的基础。特别是对于北斗三号这一全新的导航系统,对卫星的姿态变化规律及所受的太阳光压精确建模,是极大的挑战。通过追踪学术前沿动态,结合千寻位置全球框架站的长期跟踪数据,千寻位置的算法专家们对北斗三号卫星的运动规律进行了深入的研究,建立了高精度的卫星姿态模型和光压模型,为高精度的卫星轨道钟差产品的解算打下了基础。

多频多系统的卫星硬件延迟产品,也是服务端算法层面实现PPP快速收敛的重要模块。得益于硬件配置统一的潜龙时空服务器,千寻位置解算的卫星硬件延迟产品更加稳定准确。此外,为了最大化快速收敛的效果,云端一体的PPP引擎发挥着关键的作用。

以最短时间将上述服务端产品播发给用户,是用户获得最佳PPP快速收敛体验的关键。“千寻位置的全球框架站通过专线将数据进行回传,极大的保证了观测数据的‘新鲜度’。海量数据的快速处理能力,分布式并行化的算法调度架构以及灵活高效的播发链路设计,只需要数秒钟的时间,服务产品便可通过同步地球卫星,送达用户手中。”千寻位置高级技术专家陈建波说。

有了完备、可靠的服务端算法产品,灵活高效的播发链路设计,如何在终端侧实现PPP超快速收敛?终端算法团队从多频观测值应用、PPP模糊度固定两个层面探索新的技术路径,提升收敛性能。

首先,在多频观测值应用层面,结合国家北斗地基增强系统“一张网”积累的不同地理环境的多维时空数据,沉淀了一套自适应的多频观测模型,该模型可以根据实际频率类型、观测噪声等特性进行观测模型的自适应调整。

其次,在PPP模糊度固定层面,结合星基改正数精度和延迟、观测值随机特性、观测值残差等,尝试包括经验模型调优、机器学习等多种方法进行模糊度确认,形成了适配卫星链路播发星基改正数的PPP模糊度固定模型,保证卫星链路信号在受到短暂遮挡干扰期间,终端仍能获得可靠的定位结果。

运维监控,保持收敛性能稳定

6分钟,3分钟,2分钟,1分钟……每一次速度的提升,都是继续突破的动力。通过一次次的技术迭代与尝试,千寻位置将平均收敛时间稳定在1分钟左右,最快仅需几十秒。而摆在后面更大的难题,是如何保持收敛性能的稳定性。

在服务侧,千寻位置通过6年多的服务经验,沉淀了丰富的服务异常监控手段,从基站数据、卫星状态、产品精度、链路延迟等多个维度,搭建了一套完善的运维监控体系,保障服务产品解算、数据播发的稳定性。

在产品终端侧,基于自主研发的星基模组、板卡、整机等设备,建立了一套完整的研发、测试、售前、售后监控体系,通过大量应用场景和案例积累,在终端算法层面不断迭代升级。

在全球的任何一处,都能在数秒内获得高精度定位服务。PPP收敛速度突破,让自动化农业、海洋勘测、无人机巡检等高实时性高精度应用场景可以更高效的作业,也为卫星导航技术在智能驾驶等领域的全球化应用提供了更广阔的空间。