GNSS高精度、授時和資產管理解決方案概述
——《GNSS用戶技術報告》簡介之五

● 文 |中國國防科技信息中心 王歡 席歡

GNSS高精度、授時和資產管理解決方案概述
——《GNSS用戶技術報告》簡介之五

● 文 |中國國防科技信息中心 王歡 席歡

2016年10月5日，歐洲全球導航衛星系統管理局（GSA）發布《GNSS用戶技術報告》（以下簡稱《報告》）。《報告》旨在幫助用戶了解接收機技術及其發展趨勢，幫助工業界制定相關技術開發、采購、使用計劃與決策。《報告》主要包括三部分：大眾市場解決方案、交通安全與法律責任關鍵產品以及高精度、授時和資產管理解決方案。本文主要對高精度、授時和資產管理解決方案部分進行整理，供讀者參考。

GNSS；授時；資產管理

一、GNSS用戶技術的主要特征和關鍵性能參數

高精度、授時和資產管理解決方案，包括在每個特定領域擁有所需關鍵性能參數的接收機和技術，其中需要高定位精度的領域包括農業、測繪和建筑等。一方面，這些領域很大程度上依賴一個或多個已經成熟的定位增強技術，提供所需的定位精度；另一方面，在地理信息系統/測繪領域使用免費的星基增強系統（SBAS）或差分GNSS（DGNSS）系統，要求定位精度達到約1m的精度水平。其他應用領域包括資產管理、授時和同步則使用單頻接收機，因為單頻接收機已經可以為其提供令人滿意的性能。但授時實驗室是一個例外，需要使用非常高等級的計量GNSS接收機。

值得注意的是，最關鍵的性能參數種類繁多，而不同的領域需要的關鍵性能參數不盡相同。

●對于農業應用來說，關鍵性能參數包括：

精度：很多農業應用需要較高的定位精度完成農業活動，例如機械控制（播種和變量控制應用）。多徑和信號盲區問題的緩解將有益于高精度的應用需求。

可用性：某些農業活動必須在特定的時間、特定的日期進行，在這期間的信號中斷將造成嚴重的后果。

強健性：自動機械制導需要考慮安全關鍵要素，確保農業應用免遭潛在的欺騙和干擾影響。

●對于資產管理、地理信息系統和測繪應用領域，關鍵性能參數包括：

完好性：完好性的缺失可能導致錯誤的收費或罰款，進而破壞整個應用。

強健性：易受干擾或無法檢測欺騙可能使應用失效。

可用性：在地理信息系統/測繪領域具備可用性至關重要，因為信號中斷將造成巨大的損失。

●對于測量應用領域，關鍵性能參數包括：

精度：根據具體應用，可能需要厘米級的準確度。

完好性：根據具體應用，完好性的缺失將造成巨大損失。

強健性：某些特定應用或將受益于生效的位置記錄。

可用性：信號中斷將造成嚴重的工期延遲。

●對于建筑工程應用，關鍵性能參數包括：

精度：取決于具體應用，可能需要厘米級定位精度。

完好性：取決于應用，完好性缺失將造成巨大損失。

強健性：取決于應用，強健性缺失將造成巨大損失。

可用性：信號可用性的缺失將造成巨大損失。

●對于同步授時應用，關鍵性能參數包括：

可用性：需要保證全天候、24小時提供授時服務。

強健性：有些應用需要考慮安全關鍵要素，避免潛在欺騙和干擾是必要的。尤其是關鍵基礎設施網絡的同步，如電信網絡、金融、配電系統。

完好性：法律應用需要精確的時間戳。

精度：雖然對于很多應用而言，入門級接收機即可滿足精度需求。但是對于新興應用，比如4G/5G電信網和4K數字視頻廣播（DVB），需要更好的同步授時精度。而對于授時實驗室來說，精度顯然是最主要的參數，且穩定性和精確性必須保持原子鐘水平。

二、GNSS應用行業規劃

專業級接收機可以細分為以下幾類：①測量接收機（大地測量級參考站接收機和測量級接收機）；②機械控制接收機（農業和建筑業接收機）；③地理信息系統/測繪的通用接收機；④追蹤和監測接收機（資產管理）；⑤授時接收機。

雖然各個領域使用接收機的用途不盡相同，且供應商來源廣泛，但主要是基于少量制造商生產的GNSS接收機模塊設計生產，模塊是由芯片組成，歸根到底，接收機是基于極少數廠商生產的GNSS芯片組。通常，這些芯片組是專有設計，它們的更新換代推動市場向前發展。每一代最新研發的芯片組都是基于最新的專用集成電路（ASIC）技術，盡量滿足多數應用需求并具備模塊級可擴展功能。

模塊，特別是低端模塊，通常不會利用芯片組提供的所有功能。特別是現代芯片組通常包括強大的微處理能力，模塊可以進一步定制，并嵌入到市場特殊性能需求的固件中，同時，使用制造商提供的認證密鑰還可以在購買后進一步升級。

1.大地參考站和測量接收機

測地級參考站接收機主要用于永久性網絡（商業、機構和科學），支持從日常邊界測量到地殼形變監測等各種各樣的應用。永久性GNSS網絡的操作員經常是新星座的首批使用者，因為他們希望在新的星座發射第一顆衛星時或之前，就將接收機安裝到位。

鑒于專用集成電路和電池技術的發展進步，便攜式天線和接收機組合一體機面世——通常稱之為“智能天線”方式，這種設計使功耗降低成為可能，同時由于其收益可觀，在移動測量接收機中得到了廣泛應用。此類接收機一般是由少數制造商生產銷售，并與其他的地球科學儀器進行縱向集成。這些核心技術制造商通常也會將他們掌握的GNSS技術賣給系統集成商。

2.機械控制接收機

機械控制接收機可進行機械導引，主要應用在土木工程和農業部門。接收機產品巨大的潛在市場意味著這些產品將根據特定行業進行設計。與測量接收機一樣，智能天線方式在機械控制接收機市場已經廣泛流行，因為其極大地簡化了在主承載車輛上的安裝過程。在這種情況下，鑒于主機能源的可用性，功耗將不是主要的考慮因素。

機械導引接收機也與外部控制器（提供人機接口）、行業專用控制軟件、車輛控制系統接口一起使用。由于這些導向系統的復雜性，人們一般直接購買一體化的主機。但是，特別是在農業部門內部，根據生產季節，在機器之間移動智能接收機的的關鍵組件也并非罕見。這些產品的“核心技術”是由相同的制造商生產的，同測繪領域的接收機產品一樣，機械導引接收機中使用的“核心技術”是由相同的制造商生產的，盡管這些產品通過不同的渠道（如農業機械供應商）進行包裝、集成并上市。

3.地理信息系統/測繪、追蹤和監測使用的通用接收機

用于地理信息系統/測繪、追蹤和監測領域的通用接收機要達到米級定位精度，單頻或星基增強系統接收機產品即能滿足需求。測繪應用要求分米級的定位精度，使用的主要是測量級的接收機。

針對通用測繪和數據收集市場的需求，將使用智能天線接收機，并盡可能采用手持方式。這些產品由公司的同一組人員開發和銷售，而他們通常與擅長移動計算方案的集成商合作。

鑒于跟蹤和監測應用的精度需求為1～10m，可以使用成本較低的單頻GNSS模塊，其形狀規格和外在功能的選擇取決于跟蹤單元特定的應用和系統。鑒于此，這些領域的市場非常分散，通常是由較小的制造商將其產品集成到大型GNSS接收機和通信模塊制造商生產的模塊。這些單元通常有特殊要求，如防篡改制造，以滿足主系統的需求。

4.授時接收機

授時參考接收機使用于昂貴的裝備，如代號為k的時間實驗室產生和保持的標準時間：UTC（k），主要由少數專業標準制造商、原始設備制造商或特定領域集成商設計和制造。

通用授時接收機（板卡、模塊、智能天線）主要由大多數GNSS技術提供商或組件制造商提供。這些接收機通常由專業公司集成在專用的T/S終端（和所有需要的接口），特別是針對關鍵基礎設施同步處理的產品。

三、雙頻接收機將顯著提升精度和完好性

1.采用多星座模式

同其他兩個領域相比，專業領域接收機支持的星座最多。由于測量、地理信息系統/測繪、建筑和農業市場范圍相對較小，且產品使用周期較長。那么，與大眾市場和交通市場相比，接收機更新換代更需具有前瞻性和持久性。同時，再加上高性能（準確性、完好性和其它性能）的需求，形成了對多星座的早期支持。

當前，制造商產品生產線中的大多數產品均能夠支持多個星座。然而，產品的生命周期過長就意味著許多僅能支持GPS星座的早期產品仍在使用。從成本和功耗兩方面考慮，車隊和資產追蹤應用通常使用僅支持GPS的產品，而低精度地理信息系統/測繪接收機則具有星基增強系統功能。

2.采用多頻模式

在測量領域使用的雙頻接收機需具備高精度要求（＜5cm）。未來，三頻接收機將變得越來越重要。永久性參考站接收機將能夠接收“視野內所有的衛星和信號”，用于支持所有類型的處理和移動接收機。

在農業領域中，特別是對于機器控制等應用需要相當高的精度，這意味著從實際應用角度出發，雙頻接收機成為現實需求。如果Galileo商業（CS）服務在市場上被采用，那么，三頻接收機將極有可能得到普及。

從成本因素出發，地理信息系統/測繪、追蹤和監測通常采用單頻接收機。對于依賴集成電源的追蹤器，最重要的驅動因素是將能耗降到最低。同步和授時領域主要采用單頻接收機。但時間轉移實驗室接收機（計量裝備）是一個例外，它使用所有可用的頻率和信號。

四、典型先進接收機分析

1．GNSS通道數量

在典型的體系結構中，接收機向每個跟蹤信號（代表一個頻率和來自單獨衛星的信號分量）分配一個通道。盡管目前的設備已經可以支持約12個通道，但能夠支持更多通道的接收機將成為未來的發展趨勢。半導體技術的發展同樣也在推動接收機向前發展。因此，盡管典型數值要求是能處理200個信道，但現有的一些測量接收機已能夠處理高達864個信道。這使得接收機能夠支持所有現有的和計劃中的星座和頻率，包括星基增強系統。

鑒于受益于多頻信號處理，接收機可以消除GNSS信號中的頻率相關誤差，提高接收機精度。典型的示例是電離層延遲的校正，因為這是造成整體測量誤差的主要因素。然而，在成本、尺寸、功耗、性能、信號、頻帶濾波，以及模擬電路質量中則需權衡得失。

2.增強服務

從技術的角度來說，用戶對關鍵性能參數的應用需求驅動了商業GNSS增強服務的出現。比如，如果沒有類似公開增強服務性能的服務，農業機械制導或測量應用所需的精度將無法實現。歷史上，載波相位差分技術實現了這一需求。今后，精密單點定位技術將為之持續提供增強服務。這意味著現有的專業GNSS接收機包含了可接收商用DGNSS服務的L頻段數據鏈接收機、超高頻數據鏈或者蜂窩無線電模塊，用于支持載波相位差分技術和網絡載波相位差分技術服務。相關的定位求解算法和有條件訪問功能，需要增加固件才能實現上述能力。

3.電源和機載通信

不同于大眾市場，專業應用接收機通常能夠接入電源，將功耗降低也不是問題。這使得接收機能在不用考慮能耗的情況下，能夠處理更多的GNSS頻道。其中，典型案例是針對便攜式土地測量設備、測站設置和地理信息系統/繪圖市場的專業接收機，以及一些沒有安裝外接電源的資產管理模塊。

為了支持載波相位差分技術、網絡載波相位差分技術和衛星遞送的實時精密單點定位服務，現代化的GNSS接收機為這些市場（比如測量和農業）設計并提供了集成的數據鏈能力，且可以通過下列的一種或多種方式實現：特高頻無線電波數據鏈調制解調器、3G或4G蜂窩數據鏈模塊以及L頻段移動衛星服務數據鏈接收機。

4.天線

典型的測量、參考級或機械控制接收機將利用外部安裝的天線，通常包括一個低噪放大器和一些射頻濾波降低饋線損耗，還可以采用許多減輕多徑干擾的技術。未來，相控陣天線復雜的零增益控制可作為一種普遍的方法來克服有意或無意的干擾造成的影響。對便攜式單元來說，天線通常集成在GNSS接收機中。

五、發展趨勢

1.技術發展將使低成本接收機具備厘米級測量精度

在高精度、授時和資產管理解決方案中使用GNSS的主要技術趨勢和前景受以下因素影響：①高精度解決方案（比如多星座、多頻、Galileo CS高度）的顯著改善;②低成本設備可用性的增加（比如高性能手持設備、支持星基增強系統的設備、更經濟實惠的GNSS 載波相位差分技術解決方案）。而只考慮高精度解決方案的情況是：①精密單點定位技術的采用；②將GNSS集成到農場管理系統中的其他技術（激光雷達、激光掃描儀、遙感和機器人）。

專業應用領域對高精度有很高需求。在大多數情況下，多星座能極大地幫助確保接收機滿足高精度需求。專業應用領域使用的大多數（85%）接收機已經安裝至少可以跟蹤兩個星座（40%可以跟蹤4個全球星座）的軟件。

此外，Galileo CS服務和GPS L5頻段的引入，將使高精度需求獲得三頻接收機解決方案。這將能夠顯著減少精密單點定位和差分技術的收斂時間。

未來，具備三頻能力的大地測量參考站、測量和機械控制接收機的重要性將大大增加。由于這些接收機和增強服務綜合使用，服務供應商將需要一段時間來升級自身的網絡、改正格式和算法，并在新的服務上線之前進行測試。這也是網絡運營商在一些國家提供升級服務的原因，確保供應商在新星座初具規模時提升效益，且終端滿足用戶需求。

在地理信息系統/測繪通用接收機領域，專業用戶傾向于使用消費級手持設備，比如使用智能手機或平板電腦來進行數據獲取和資產管理任務。或者，這些設備和專業接收機相連，在保持高精度和穩定性的同時，為用戶提供舒適性和友好性服務，并節省手機和平板電腦的耗電。GNSS接收機價格下降、精度提高，將地圖轉變得更人性化。

基于GNSS單頻實現的資產和車隊管理接收機市場已經成熟，對性能需求的條件降低。但是，不久的未來雙頻接收機將能夠實現，且得到廣泛應用。

與此同時，授時實驗室接收機將繼續與大地測量接收機（所有信號）共享許多性能。而且，在關鍵基礎設施中使用的T/S接收機將采用多星座甚至雙頻模式，并逐漸采用驗證功能。最后，高精度的需求（4G和5G電信，DVB-T）將極有可能推動雙頻信號的應用。

2.精密單點定位和集成解決方案正在農業和測量領域興起

（1）精密單點定位的興起

載波相位差分技術領域的變化體現在以下幾個方面：①載波相位差分技術 GNSS接收機“板卡”的普及；②在GNSS衛星能見度的熱點區域，中國是載波相位差分技術解決方案快速增長的市場之一；③由一些國家測繪機構與商業供應商運營的主動和被動參考站與載波相位差分技術參考站網絡的廣泛應用；④由于市場飽和以及新興的精密單點定位解決方案的激烈競爭，載波相位差分技術GNSS接收機價格顯著降低。

上述因素推動了厘米級水平/垂直精度的低成本、雙頻（L1/E1和L5/E5）接收機的興起。這些接收機的廣泛使用也使得載波相位差分技術廣泛應用到一系列高精度應用中。同時，特別是在實施環境中，盡管精密單點定位解決方案存在挑戰，但作為DGNSS解決方案的替代品，仍然得到越來越多的認同，且在亞米級精度用戶中流行。對于沒有載波相位差分技術支持的運行環境中（如遠洋環境）的用戶來說更是如此，在一些沒有永久性網絡的地區，投資載波相位差分技術系統的成本要高于精密單點定位解決方案，前者需要2臺接收機和1條數據鏈路，而后者只需要1臺接收機。因此，在厘米級精度應用中，盡管載波相位差分技術能夠提供實時解決方案，且仍舊是首選方案，但精密單點定位解決方案因其設備需求量小以及全球可用的特性，將成為極具潛力的替代方案。

（2）GNSS及其互補技術的集成解決方案

專業部門（測量和建筑）由于受到嚴格需求的影響，在采用創新技術方面往往具有一定的前瞻性。在過去幾年中，一些“工具”已經為高精度用戶使用：① 3D激光掃描儀。可從靜態位置掃描水平和垂直場地，3D掃描儀收集用于建筑或土地的數字3D模型密集點云。②全站儀。使用激光器紅外光束和電子數據記錄系統，經緯儀用于電子計算厘米級精度的距離。全站儀的機器版本已處于使用狀態，允許測量人員進行遠程操控。③激光雷達和攝影測量攝像頭。通常安裝在飛機上，激光雷達通過照射不同的目標計算光的反向散射進行測量。使用不同波長的激光雷達可以創建精巧的3D點云模型，并從不同角度進行展示。

GNSS接收機將上述技術進行集成，提供測量所需的傳感器坐標，包括初始位置和坐標的進一步測量。這適用于水文測量（多波束測深儀+慣性測量單元+GNSS）、油氣管道的基礎設施可視化（激光雷達+GNSS+慣性測量單元）、地籍測量（全站儀+GNSS）和地理參考激光掃描數據收集（陸地、機載和移動）。

（3）GNSS是綜合農業管理的支柱

農業領域受到技術影響后最明顯的趨勢是將數據和技術集成為全方位解決方案。這種互補的解決方案已經上市，包括衛星遙感技術、眾多農業實踐中無人機的使用、以及連通性（大數據分析、物聯網、未來互聯網解決方案的部署均可在高度數字化和互聯框架中顯現）。

綜合農場管理收集、處理、存儲和提供管理現代農場所需的數據。GNSS將數據鏈接到特定的地理坐標中，并提供地理位置、跟蹤和定位，起著至關重要的作用。

農場作物空間和時間變異性數據中使用的技術不同，這些技術都將為農民提供決策制定和管理策略。綜合農場管理解決方案在這方面結合了實時建模和數據收集，該方法使農場顧問能夠開發專用的解決方案，幫助個體農場或者集體農場作出更好的決策。GNSS是構成這種綜合管理系統的關鍵，能夠實現收集數據的“特定場地”的范圍，并將其歸入管理戰略。

盡管這種綜合解決方案日漸流行，但仍然存在許多挑戰，具體需求包括開發數據管理的新商業模型，發展共享和開放的數據源，處理數據所有權問題并構建用于數據存儲的IT基礎設施。