千尋位置如何應對衛(wèi)星定位頭號“擾亂者”
手機導航會突然迷路,無人機會無故偏航,你可能還不知道,這背后的頭號“擾亂者”,是遠在天外的大氣電離層。電離層會折射衛(wèi)星定位信號造成干擾,導致定位誤差的出現(xiàn)。
在電離層的強干擾下,千尋位置如何應對,保證高精度定位效果?
電離層對高精度定位的干擾有多大?
你可能還未明顯感知到,電離層干擾,正隨著第25個太陽活動周期的到來,變得愈加強烈。
而在高精度定位相關領域,比如測量測繪、智能駕駛、無人機等,最近不免遇到類似問題:“無人機怎么無故就偏航了?”,“為什么RTK終端在部分區(qū)域的空曠環(huán)境下,也出現(xiàn)浮動無法固定的情況?”
這是因為受到電離層活躍程度加劇的影響,容易出現(xiàn)定位精度不準甚至無法定位的情況。
電離層變化趨勢圖
眾所周知,影響GNSS定位的因素包括衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差等衛(wèi)星相關誤差;多路徑誤差、電離層誤差、對流層誤差等信號傳播路徑相關誤差;以及衛(wèi)星信號接收器相關誤差。
其中,影響最嚴重、最難以把握的一大障礙,就是電離層。電離層是在距離地面約60到1000千米范圍內(nèi)的大氣高層,由那些被太陽輻射而電離的粒子組成,它是GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))衛(wèi)星信號從太空到達地球終端的“必經(jīng)之路”。
GNSS衛(wèi)星信號在穿過電離層時,其傳播速度和方向都會發(fā)生改變,傳播路徑也會發(fā)生輕微的彎曲,使得衛(wèi)星信號產(chǎn)生偏移和延遲,從而影響接收終端的定位精度。
隨著第25個太陽活動周期的到來,電離層變得更加難以預測。這場太陽活動周期以11年為單位,于2019年12月開始加劇上升,預計2025年7月達到峰值。
太陽活動周期圖
隨著電離層活躍加劇,區(qū)域內(nèi)的電離層延遲誤差波動的幅度變大,頻率變快,不規(guī)則加劇,僅憑傳統(tǒng)的經(jīng)驗判斷或常規(guī)的糾偏算法難以有效消除電離層誤差的影響,滿足高精度定位的需求。躺平還是應對?成為擺在全行業(yè)面前的問題。
應對電離層擾動的前提:優(yōu)化算法模型
優(yōu)化算法模型,獲得更精準的電離層建模結(jié)果,是應對電離層擾動的前提。
自2016年宣布國家北斗地基增強系統(tǒng)正式投入運行起 ,千尋位置的算法專家們就開始了和電離層擾動不斷較量的技術攻堅。
在國家北斗地基增強系統(tǒng)“一張網(wǎng)”穩(wěn)定運行的6年間,千尋位置積累了業(yè)內(nèi)獨有的、覆蓋不同地理環(huán)境、大氣環(huán)境等在內(nèi)的多維度時空數(shù)據(jù),為持續(xù)研究、精準分析以及機器學習的能力奠定了基礎。
在保障高精度定位高效、安全、精準、穩(wěn)健的前提下,算法專家們基于長周期的數(shù)據(jù)積累,分析定位誤差產(chǎn)生的規(guī)律,構(gòu)建出算法模型的變量與常量,嘗試包括自適應調(diào)優(yōu)、機器學習等多種方法,不斷進行學習、訓練與調(diào)優(yōu),形成了適配包括電離層在內(nèi)的多場景的算法模型,保證電離層活躍期間,仍然能夠獲得精準的電離層建模結(jié)果。
“破題”新思路:云端協(xié)同的技術方案
算法專家們并沒有就此止步。他們很快發(fā)現(xiàn),在電離層活躍等級較強的場景,常規(guī)的建模技術存在提升空間小、算力成本高的瓶頸。面對升級的難題,他們另辟蹊徑,在業(yè)內(nèi)首次實現(xiàn)了云(服務端)端(用戶端)協(xié)同的技術方案,將電離層活躍期間的固定率提高至95%以上,定位精度穩(wěn)定在厘米級。
千尋位置算法專家陳華博士解釋道:“服務端與用戶端在電離層處理能力上各有優(yōu)劣之處。服務端專注于大氣誤差,可以通過建模改正大部分的電離層誤差,并能夠利用區(qū)域信息對電離層活躍進行判斷,但卻無法解決電離層建模的殘余誤差問題。相比之下,用戶端雖然無法對電離層活躍情況進行判斷,但可以消除電離層活躍期間的服務端的建模殘余誤差。”
云端協(xié)同的技術方案創(chuàng)新性地將兩者的優(yōu)劣勢進行取長補短,通過從服務端播發(fā)質(zhì)量因子信息,“告訴”用戶端當前的電離層活躍程度以及是否需要開啟消電離層模式。
經(jīng)過對比測試,在云端協(xié)同下,當消電離層模式開啟后,RTK設備的固定率從80%左右提升至95%以上,定位精度從分米級上升至厘米級。在具體的電離層活躍時段,效果對比更加明顯,RTK設備從基本無法獲得固定解提升為全程基本保持穩(wěn)定固定解。
采納云端協(xié)同技術方案的前后效果對比
首創(chuàng)電離層查詢平臺,實現(xiàn)查詢與預警
對于極端活躍導致無法作業(yè)的情況,千尋位置推出業(yè)內(nèi)首個電離層查詢平臺,則能夠?qū)崿F(xiàn)對電離層活躍狀況的感知、預警與查詢,為戶外作業(yè)人員提供作業(yè)指導。
電離層查詢平臺通過平靜、中等、強、超強四個等級,呈現(xiàn)用戶當下所處位置的電離層活躍程度。并基于千尋位置對電離層長周期觀測數(shù)據(jù)和實際影響程度,闡釋不同的等級對定位精度的影響。例如,當電離層活躍等級處于強和超強時,將對定位精度產(chǎn)生較大乃至很大影響。此時,不建議RTK用戶進行戶外作業(yè)。
千尋位置電離層查詢平臺
千尋位置的算法專家青城博士介紹:“我們希望在全國范圍內(nèi)構(gòu)建精細化的電離層電子總含量的實時監(jiān)測系統(tǒng),如果這個監(jiān)測系統(tǒng)未來可以像日常的天氣實況播報一樣,將能發(fā)揮更大的應用價值?!?/p>
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