GNSS接收机:进化还是革命?

卫星测量…有没有(几乎)不使用它的行业专业人士?在过去的30年里，GNSS已经成为大多数应用的主要定位工具，Huibert-Jan Lekkerkerk写道。当然，也有一些例外情况，即需要正确的相对定位，并使用专用的光学系统，如全站仪或水平仪，但即使是这些系统也经常设置在使用GNSS技术确定的控制点上。本文研究了近十年来GNSS的发展，并对未来进行了预测。

大约十年前，对全球导航卫星系统的审查需要两种类型的系统。最普遍的是高端RTK装置，成本超过20,000欧元，第二种是手持GIS数据收集器。他们之间的主要区别是他们的精度-厘米和(deci)米水平-和他们的天线。高端系统都有一个大型天线，集成了接收器和独立的控制器，你必须安装在测量杆上，而GIS类型有一个(小)贴片天线，接收器和控制器集成到一个单元中。唯一的另一种系统是建筑行业的机器控制单元;这些都是基于高端RTK单元相同的技术。

应用程序

所有这些仪器至今仍在使用。高端的RTK系统看起来仍然一样，但价格已经下降。而且，过去的标准设置是两个设备通过超高频无线电连接，现在大多数品牌都提供这种选择。主要的连接来自移动数据网络，更正信息通过互联网发送。而不是提供一个类似的单元作为基站，大多数制造商现在提供他们所谓的网络接收器，能够发送(和接收)网络校正(图1)。

另一个主要的发展是GNSS接收器在过去的几年里是“电子”泡沫的集成的杆(图2)。而在过去的钢管必须保持完全直立正确位置(高度)测量、现代接收机现在有一个集成的横滚和俯仰传感器类似于智能手机。通过传感器的读数(以及天线的高度)，将天线的位置校正到接地点，最大角度为30度。根据这些额外的信息，有可能保持杆在一个角度，仍然获得正确的位置和高度信息。这不仅使精确的测量更容易;它还允许测量员通过定位极点的角度来测量其他无法到达的点。

采取免费卫星增强系统的使用(sba)修正和后处理的GIS数据收集器更进一步早些时候,这种类型的接收机是现在能够接受RTK修正标准,从而使GIS数据的收集厘米级别而不是米级别。此外，GIS接收器不再使用集成控制器，而是依赖于任何蓝牙连接设备，如Android智能手机(图3)。

除了上面提到的接收器,有众多的小黑匣子RTK接收器专门用于无人驾驶飞行器(无人机或“无人机”)或机器控制(图4)。通常,这些有一个大型综合性内存允许他们(也)存储原始数据后处理,给出更准确的位置。

GNSS星座

大约十年前，GNSS的生活对于终端用户来说很简单:几乎没有GPS。格洛纳斯，俄罗斯GPS的对等物(也是第一个在1990年代早期达到操作能力的)，由于1990年代末的经济危机而恶化。格洛纳斯在几年后恢复了活力，大约在五年前恢复了全面运作。

与此同时，尽管我们都在使用GPS，但另一种系统正成为“热门话题”:欧洲的伽利略系统。在21世纪早期建立了一个公私伙伴关系^圣20世纪，它被重塑为一个只有政府(但仍然是平民)的体系。虽然“伽利略”号预计要到2020年才能达到完全的操作能力，但“伽利略”号信号的接收已经有利于定位质量。

最后但并非最不重要的是，似乎不知从哪里冒出来的中国卫星导航系统北斗。它最初是作为一个区域系统建立的，但中国很快就开始发射卫星。在轨道上有23颗卫星(其中相当多的卫星实际上是区域性的)，现在在中亚有全面的能力，在世界其他地区有初步的能力。换句话说，对于那些在中亚使用他们的接收器的人来说，确保他们的系统也有北斗信号是值得的。

系统的发展

但不仅仅是卫星系统的数量在过去十年中从1.5个GNSS增加到4个以上;系统内部也发生了发展。2018年12月24日，在原计划实施近5年后，第一颗能够提供新的(更精确的)定位信号的GPS-III卫星发射。2020年，Glonass卫星将首次发射所谓的CDMA全范围信号，预计将使该系统的信号基础与其他GNSS相同。

十年前，拥有80个频道的接收器被认为是技术先进的，而现在的接收器需要超过500个频道，才能最理想地支持目前四个gnss的所有信号(图5)。单个GNSS中的单个卫星的单一频率的单一信号在GNSS接收器中占一个频道，每个GNSS在太空中有25到30颗卫星，每个卫星以大约3个频率广播2到3个信号。

校正信号及准确度

仅仅从四个gnss接收信号并不能给专业用户所需的精度。四个gnss中的任何一个单独(或组合)的标准定位都在米级。然而，对于任何现代工作，米以下的精度是一个普遍的要求。为了达到更高的精度，需要校正信号。最常见的校正信号类型是免费播放的SBAS，比如美国的SBAS为WAAS或欧洲EGNOS．这些信号通过各种SBAS系统在世界许多地方广播，可以被所有GNSS接收器接收，无论是专业的还是智能手机内的。SBAS校正使其有可能达到约一米的精度。

对于那些需要更好的精度，标准校正信号去是实时运动学(RTK dGNSS或RTK)。作为标准，所有专业RTK接收器可以运行RTK GPS，而大多数他们也支持RTK Glonass校正。目前没有任何接收器能提供超过GPS和Glonass RTK联合解决方案，但制造商正在考虑在RTK解决方案中加入除了GPS和Glonass之外的北斗系统。但是，即使在RTK解决方案中“仅仅”使用两个GNSS星座，对于大多数RTK接收器来说，当前的精度在水平方向低于1cm + 1ppm(68%)，垂直方向低于1.5cm + 1ppm(68%)。随着现代网络类型的RTK, 15公里的范围限制的早期单一基础RTK，已被要求在虚拟网络内，并有互联网连接。

精确点定位的使用(购买力平价)是土地测量行业的新事物，但在海上测量界已普遍存在多年。利用这项技术，在距离基站相当远的地方，水平和垂直精度可达分米至分米水平。与SBAS和RTK(使用基站计算差分修正)不同，PPP使用基站来寻找原始卫星位置信息的精确修正。漫游接收器利用这些信息计算出一个改进的位置，得到大约20分钟的第一次“收敛”时间。由于PPP校正信号是专有的，并非所有接收器都可以使用PPP校正信号(图5)。所有PPP解决方案提供商都提供GPS校正，有些还与其他可用的gnss结合使用。

抗干扰和抗欺骗

十年前，GNSS主要是一种专业工具，除了可能是一种昂贵的车载导航配件外，它现在已被集成到许多应用中——主要是作为一个定位系统，但也作为一个准确的计时基础。随着“自主”成为导航行业的流行词，对准确可靠定位的依赖日益增加。在需要可靠定位的地方，挑战不仅是解决微弱的卫星或校正接收，而且要避免干扰。毕竟，鉴于自动驾驶汽车、无人机甚至船只的数量不断增加，任何地方的GNSS故障都可能很快导致各种各样的潜在严重问题。由于信号微弱，相对容易“干扰”GNSS信号(造成信号丢失)。这并不总是有意为之。几年前，由于LightSquared的传输网络存在干扰风险，LightSquared和美国GPS社区就LightSquared提出的传输网络进行了一场法律辩论。这说明了对GPS干扰的担忧。最后LightSquared破产了(最近又以Ligado使用gps友好的解决方案)。更有潜在危险的是所谓的“欺骗干扰”，在这种情况下，原始信号被故意用更强的错误信号代替。测试表明，如果处理得很微妙，许多接收器和应用程序将开始跟随错误的信号，这可能最终导致船只或飞机相撞，或使军队偏离航向。为了抵消这些影响，NovAtel等行业领先的制造商不仅在研究抗干扰和反欺骗解决方案，而且还推出了更抗干扰的新天线(图7)。

在未来

在过去的十年里，技术明显地进步了。主要的变化是从一个完全运行的GNSS(即GPS)到今天四个(几乎)完全运行的系统。但也有其他方面的改进。因此，我们将看到更多的接收器出现在市场上的渠道。在未来的十年中，不会有任何根本性的变化。最大的变化将是Glonass从当前的FDMA信号结构转向与其他gnss可互操作的CDMA结构。

在技术方面，接收器也改变了，更重要的是，精度已全面提高，RTK成为标准。在接下来的十年,我们将看到新系统之间的鸿沟方面RTK和PPP允许sub-decimetre-level定位在世界任何地方,减少初始化时间从目前的20分钟为刚开始几分钟,几秒钟后信号的损失。另一个希望的变化是引入伽利略商业服务，不仅是作为免费的PPP备选方案，也许更重要的是，作为促进当前PPP解决方案提供商的PPP信号与任何GNSS接收器互操作的标准。最后，我们将看到抗干扰和反欺骗解决方案变得更加可行，价格水平将降至目前的“标准”设备水平。