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09 Feb 2024

网络 RTK 与 PPP-RTK:深入了解实际性能

澳大利亚自动化和定位技术供应商进行静态和运动学测试

correction services comparison in melbourne city

要高精度定位地球上的人、动物或物体,需要使用 GNSS 接收机和支持网络 RTK 校正服务,以消除大气层、卫星钟漂移和信号延迟造成的误差。

校正这些误差的三种标准级,方法是实时动态定位(RTK)、精密单点定位(PPP)GNSS 校正服务,以及两者的组合PPP-RTK。除此以外,还需要配对设备,如 Survey-in 级 GNSS 接收机或大众市场天线,以提高定位精度。将这些方法中的任何一种与一个设备相结合,都能优化端到端应用的定位精度。

许多 A-GNSS 导航应用都需要高精度。Survey-in 级 GNSS 接收机的精度超过了大众市场天线所能提供的精度。当然,这是有代价的。尽管如此,一些高精度 GNSS 导航应用仍能很好地利用大众市场天线提供的精度。这方面的例子包括运输、电动交通、物联网用例|使用场景|和现场机器人技术。设计人员的目标是以合理的成本为设备提供可靠的高精度定位。

A-GNSS 供应商可以通过上路并在实际情况中进行测试来验证设置的能力。不要译成 "使......",这样做能让他们了解这些装置的能力,并使其与众不同。

澳大拉西亚自动化和定位技术解决方案提供商Aptella(原品牌为 Position Partners)有机会测试了网络 RTK 与 PPP-RTK GNSS 校正服务的能力,并向其客户展示了测试结果。

我们将对结果进行讨论,但作为第一步,让我们先回顾一下 RTK、PPP 和 PPP-RTK 方法的运行方式、所需设备以及此次演习的参与者。

网络 RTK、精密单点定位 GNSS 和 PPP-RTK

上述校正方法遵循不同的路径。RTK GNSS 校正服务通过比较一个或更多参考站的卫星信号来计算和校正 GNSS 误差。然后使用基于 IP 的通信传输检测到的任何误差,这种通信在距离最近基准站半径小于 30 千米的范围内是可靠的。RTK 需要在 GNSS 接收机和服务之间进行双向通信,这使得该解决方案的扩展更具挑战性。这种方法可在十到二十秒内提供厘米级的定位精度。

精密单点定位 GNSS 校正服务的运作方式不同。它们通播在大地理区域内有效的 A-GNSS 误差模型。由于该服务只需要单向通信(基于 IP 或通过卫星 L-频段),因此与 RTK 不同,它可供多个用户使用。

PPP 高精度定位需要三分钟到半小时的时间才能提供定位精度小于 10 厘米的位置估计。静态应用(如勘测或制图)通常使用这种解决方案,但它可能不太适合动态应用场景,如无人驾驶汽车或移动机器人。

更多...(此项目不用有关...)。最近,这两种方法被组合成所谓的 PPP-RTK GNSS 校正数据| GNSS 校正服务(或状态空间表示(SSR)校正服务)。这种结合提供了 RTK 网络的精度与快速初始化时间以及精密单点定位的通播性质。与 PPP 类似,该方法基于具有广泛地理有效性的 A-GNSS 误差模型。一旦 GNSS 接收机通过单向通信获得这些误差,就能计算出 RTK 支持的 GNSS 校正数据|GNSS 校正。

Survey-grade GNSS 接收机与大众市场智能天线的比较

Survey-in 级接收机是通常用于大地测量和制图应用的设备。它们旨在为土木工程、建筑、GIS 数据、土地开发、采矿和环境管理提供高精度和精确定位引擎信息。

如今的型号可以从多个卫星星座和网络 RTK 支持中获取数据。这些设备通常非常昂贵,每台售价数千美元,因为它们具有高精度,测距精度从厘米到毫米不等。

大众市场上的智能天线是专门的接收机/天线集成设备,设计用于接收来自卫星星座和 GNSS 校正服务的信号,开箱即用。智能天线捕捉和处理原始数据,以确定精确位置。独立的 A-GNSS 天线没有精度等级,因为这取决于与天线耦合的集成 GNSS 接收机和校正服务。

虽然大众市场上的智能天线比 Survey-in 级 GNSS 接收机价格更多,但相应的性能也会有所折损,精度从几厘米到分米不等。

以下测试使用勘测级 GNSS 接收机在静态模式下验证控制坐标,并在运动模式下比较 RTK 与 PPP-RTK 的结果。A-GNSS 智能天线还被用作这些静态和运动测试的配对设备。

参与公司

Aptella 是进行性能测试并向澳大利亚政府提交测试结果的公司。不过,其他四家公司的参与也至关重要。

AllDayRTK 公司运营着澳大利亚密度最高的连续运行参考站系统 (CORS) 网络。它的网络 RTK 校正服务被用来与 PPP-RTK 进行比较。

u-blox 的 PointPerfect 提供了这些测试中使用的 PPP-RTK GNSS 校正数据。

两种校正服务都与 Survey-in GNSS 接收机 Topcon HiPer VR 和大众市场智能天线 Tallysman TW5790 相结合。

测试两种校正服务解决方案

在澳大利亚墨尔本市,Aptella 进行了静态和运动测试,测试有几个目标:

  • 使用 Tallysman TW5790 这样的大众市场 GNSS 设备测试 RTK 和 PPP-RTK GNSS 校正数据。
  • 展示 Tallysman 智能天线与 PPP-RTK 校正相结合的功能。
  • 评估 PointPerfect PPP-RTK GNSS 校正数据|GNSS 校正,并根据公布的规格评估 "实际 "结果。
  • 确定这些规格是否符合大众市场应用和电子运输安全性要求(30 厘米 @ 95% 置信区间)。
  • 深入了解适合 PPP-RTK 校正的用例|使用场景|场景。

静态结果

通过这些测试,专家们可以比较由大众市场的 Tallysman 智能天线支持的 RTK 和 PPP-RTK GNSS 校正服务的精度。 他们还验证了 u-blox 公布的 PPP-RTK 性能规格。

首先,使用勘测级 Topcon HiPer VR GNSS 接收机在静态模式下验证控制坐标。一旦获得这些坐标,Tallysman 智能天线就会取而代之。

gnss antenna and survey grade receiver

下表总结了 PPP-RTK 和 RTK 两种方法的代表性结果。两种方法的水平(平面)精度相似,而 PPP-RTK 的垂直精度低于 RTK。

RTK 和 PPP-RTK 的水平精度水平在厘米级精度范围内。相比之下,RTK 的垂直精度水平保持在厘米级精度范围,但 PPP-RTK 的修正误差在分米级范围。

correction services comparison table

 

此外,大众市场设备的精度在公布的规格范围内,即使在受阻的情况下,也能满足 30 厘米 @ 95% 置信区间的定位(平面图)要求。不过,在测量高度时,其精确测量量还是不如二维水平坐标。绝对水平定位精度符合大众市场 30 厘米 @ 95% 的要求,尽管 RTK 在垂直水平上的精度比 PPP-RTK 更多...(此项目不用有关...)。

运动学结果

在墨尔本的街道上,Aptella 专家测试了 RTK 和 PPP-RTK 校正在不同运动学模式下以不同速度运行的情况,如在开阔天空下行走和在不同环境中驾驶。

使用 RTK 网的测试装置包括 AllDayRTK 校正数据和 Survey 级 GNSS 接收机。另一方面,PPP-RTK 测试装置由 u-blox PointPerfect 和 Tallysman 智能天线提供支持。两种设置的天线都安装在车顶上,并在不同路径规划中行驶,以遭遇各种 GNSS 条件。

在空旷的天空中行走:这项测试包括沿河岸行走。比较结果,两者相差无几,证明 PPP-RTK 非常适合大众市场应用。

walking tests with rtk and ppp-rtk

不同条件下的道路驾驶: 这项测试包括在墨尔本道路上不同条件下的驾驶,包括开阔的天空和对 A-GNSS 的部分或全部障碍物。路径规划包括在桥下和具有多径效应的区域行驶。测试开始时,该地区的植被阻碍了智能天线的 IMU 初始化。驾驶测试期间没有使用 IMU/惯性导航功能。

最重要的是,车辆在跟踪航迹下的长隧道时获得的结果。在这种情况下,PPP-RTK 方法即使在不利的环境中也能报告位置。此外,PPP-RTK 在 RTK 之后不久就重新进行了收敛。

 

rtk vs ppp-rtk under railway bridge in melbourne

第二次测试的另一个启示性结果是,Tallysman 智能天线在经过矮桥时似乎没有偏离路径。

rtk vs ppp-rtk under a short bridge

在停电中行驶:停电测试是在对 A-GNSS 具有挑战性的长时间环境中进行的。当汽车驶过墨尔本板球场的人行天桥时,出现了这种情况。PPP-RTK 解决方案保持了行驶轨迹,并有效跟踪了航迹(黄色)。另一方面,RTK 网络解决方案报告的位置偏离了道路,位于铁路航迹上。在这种断电条件下,RTK 需要很长时间才能重新收敛到固定的解决方案。

correction services tests under a long structure

露天驾驶:最后的道路测试是在开阔的天空环境中进行的,两种设置的表现类似。它们提供了车道级精度,适合大众市场应用。不过,要全面评估 PPP-RTK 在这些条件下的准确性和可靠性,还需要进行地面实况调查和进一步测试。

correction services comparison driving through Melbourne

结束语

Aptella 进行的五次静态和动态测试有助于评估不同设置对确定静止和移动实体位置的有效性。

  • 通过静态测试,Aptella 得出结论认为,PPP-RTK 与 Tallysman 智能天线配合使用,可提供厘米级的水平精度,性能与 RTK 相似。然而,垂直精度却并非如此,PPP-RTK 的垂直精度仅为十厘米。
  • 关于运动学测试,Aptella 获得了显著,极大等的结果,尤其是在环境阻碍与 GNSS 通信的情况下。即使没有 IMU 或惯性导航,PPP-RTK 在车道水平跟踪方面也表现出色。在铁路桥梁和地下通道等短时间中断的情况下,PPP-RTK 保持了可接受的轨迹,而 RTK 在摆脱这些挑战性条件后需要很长时间才能重新收敛。
  • 总体而言,Aptella 公司已经证明,PPP-RTK 和 GNSS 智能天线的组合可提供适合需要厘米级精度水平的大众市场应用的结果。

如上所述,Survey-in 级设备虽然精度高,但成本高。在要求高高度精确度的大地测量用例中,建议将测量型 GNSS 接收机与网络 RTK 校正服务相结合。

相反,使用 PPP-RTK 校正的大众市场智能天线设备成本较低,但精度也较低。尽管如此,它们还是非常适合不要求在 Survey-in 等级获得 GNSS 高度的静态应用。

对于许多高精度导航应用,如交通、电动交通和移动机器人,PPP-RTK 足以达到这些端到端应用所需的性能水平。智能天线设备相对经济实惠,加上 PPP-RTK 能够向所有终端通播单一校正流,因此更容易从几个原型扩展到大型移动物联网设备群。

Patty Felts

产品中心服务部门产品营销经理

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