編者的話：“科技自立自強(qiáng)是國家強(qiáng)盛之基、安全之要。”2020 年 7 月 31 日，北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)，意味著時空信息重大基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)完全掌握在自己的手里。兩年過去，北斗系統(tǒng)的應(yīng)用構(gòu)建了一條成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，同樣，唯有自主創(chuàng)新，才能把科技命脈掌握在自己的手中。
日前，千尋位置“六脈神劍”六大底層技術(shù)系列浮出水面。今天我們聚焦千尋位置如何解決電離層擾動這一困擾GNSS定位領(lǐng)域的世界級難題，保障用戶在電離層活躍期間仍能得到精準(zhǔn)、連續(xù)、可靠、安全的高精度定位服務(wù)。
(正文)日益加劇的電離層擾動對高精度定位的影響愈發(fā)嚴(yán)重。7月27日起，千尋位置率先升級北斗高精度定位終端，將電離層擾動抑制能力陸續(xù)推送覆蓋全部在售及已售出的云端一體及星地一體系列北斗高精度RTK終端設(shè)備，引領(lǐng)電離層擾動抑制能力成測繪RTK終端核心標(biāo)配，實(shí)現(xiàn)行業(yè)型北斗底層技術(shù)能力在市場用戶的普惠，進(jìn)一步發(fā)揮北斗應(yīng)用能力。
電離層干擾是困擾GNSS定位領(lǐng)域的世界級難題。千尋位置從無到有進(jìn)行研發(fā)攻堅(jiān)，基于獨(dú)有的電離層大規(guī)模監(jiān)測數(shù)據(jù)與算法驗(yàn)證，在業(yè)內(nèi)率先推出包括算法優(yōu)化、云端協(xié)同、電離層實(shí)時感知等在內(nèi)的電離層擾動解決方案，通過將電離層抑制算法能力——“質(zhì)量因子”與北斗高精度RTK終端算法融合，在削減電離層擾動帶來影響的同時，全面持續(xù)優(yōu)化提高固定精度及固定速度，實(shí)現(xiàn)對北斗高精度RTK終端算法的技術(shù)躍遷式升級。保障用戶在電離層活躍期間仍能得到精準(zhǔn)、連續(xù)、可靠、安全的高精度定位服務(wù)。不僅提供了解題新思路，也為應(yīng)對電離層的行業(yè)挑戰(zhàn)貢獻(xiàn)了創(chuàng)新的中國方案。
電離層變化趨勢圖
對GNSS定位影響最嚴(yán)重、最難以把握的因素——電離層
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(guān)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(guān)誤差;以及衛(wèi)星信號接收器相關(guān)誤差。
其中，影響最嚴(yán)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(dá)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(yù)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(yù)計2025年7月達(dá)到峰值。
太陽活動周期圖，圖片來自網(wǎng)絡(luò)
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(yàn)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(yīng)對?成為擺在全行業(yè)面前的問題。
基于長周期的數(shù)據(jù)積累，千尋位置提出“破題”新思路
自2016年宣布國家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)正式投入運(yùn)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(shù)攻堅(jiān)。
在國家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)“一張網(wǎng)”穩(wěn)定運(yùn)行的6年間，千尋位置積累了業(yè)內(nèi)獨(dú)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(zhǔn)分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)的能力奠定了基礎(chǔ)。
在保障高精度定位高效、安全、精準(zhǔn)、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(yīng)調(diào)優(yōu)、機(jī)器學(xué)習(xí)等多種方法，不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)、訓(xùn)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(zhǔn)的電離層建模結(jié)果。
優(yōu)化算法模型，獲得更精準(zhǔn)的電離層建模結(jié)果，是應(yīng)對電離層擾動的前提。
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(qiáng)的場景，常規(guī)的建模技術(shù)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(shí)現(xiàn)了云(服務(wù)端)端(用戶端)協(xié)同的技術(shù)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(wù)端與用戶端在電離層處理能力上各有優(yōu)劣之處。服務(wù)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(jìn)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(jìn)行判斷，但可以消除電離層活躍期間的服務(wù)端的建模殘余誤差。”
云端協(xié)同的技術(shù)方案創(chuàng)新性地將兩者的優(yōu)劣勢進(jìn)行取長補(bǔ)短，通過從服務(wù)端播發(fā)“質(zhì)量因子”信息，“告訴”用戶端當(dāng)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(dāng)消電離層模式開啟后，RTK設(shè)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(shè)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(shù)方案的前后效果對比
千尋位置首創(chuàng)電離層查詢平臺，實(shí)現(xiàn)查詢與預(yù)警
對于極端活躍導(dǎo)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(yù)警與查詢，為戶外作業(yè)人員提供作業(yè)指導(dǎo)。
電離層查詢平臺通過平靜、中等、強(qiáng)、超強(qiáng)四個等級，呈現(xiàn)用戶當(dāng)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(shí)際影響程度，闡釋不同的等級對定位精度的影響。例如，當(dāng)電離層活躍等級處于強(qiáng)和超強(qiáng)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(jìn)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(xì)化的電離層電子總含量的實(shí)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(shí)況播報一樣，將能發(fā)揮更大的應(yīng)用價值。”
通過引入創(chuàng)新技術(shù)與解決方案，千尋位置正在開啟高精度定位領(lǐng)域電離層實(shí)時感知的新時代，不斷用自主創(chuàng)新引領(lǐng)時空智能服務(wù)穩(wěn)定高質(zhì)量發(fā)展。
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