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1991年，本杰明·雷蒙迪（Benjamin Remondi）完成了RTK算法模型的实现，标志着RTK进入实际应用阶段。32年之后的2023年，RTK已经在自动驾驶定位领域获得了“稳准狠”的称号，助力自动驾驶测试车辆欢快地跑在世界各地。欢迎关注「智驾最前沿」微信视频号
RTK在自动驾驶领域取得如此辉煌成绩，离不开背后连续运行参考站（Continuously Operating Reference Stations , CORS）系统的支持，CORS系统将观测值、差分改正等信息通过网络广播给自动驾驶车辆上接收机，助力自动驾驶车辆获得实时厘米级定位精度。CORS系统的关键就是遍布在世界各地成千上万的基准站，截止2022年，美国已在其本土、加拿大、太平洋及波斯湾部署了超过3050个站点。而我国仅千寻位置一家公司，就建设了多达2800个站点，后面还有紧紧追赶的南方测绘、六分科技、中国移动等公司。“要想跑，先建站，要想准，多建站”，似乎成为自动驾驶卫星高精定位发展的默认法则。但当有人站出来喊“只要给我百八十个基准站，我就能实现全球实时厘米级定位”的时候，你会翻翻白眼，心里暗想：这人是不是疯了。而这位疯了的天才就是本文科普的主角——PPP-RTK。故事还是先从主角的前缀实时动态定位（Real-Time Kinematic，RTK）讲起。卫星发出一串速度近似光速c的卫星信号，卫星信号包含的内容如图1所示，高频的载波载着测距码与导航电文穿梭于天地之间。经过时间△t后被接收机接收，△t通过将卫星信号中的测距码与本地复制码做相关性计算可求得，将c与△t相乘便可求得卫星与接收机之间的距离。卫星位置可以通过解析卫星信号导航电文中的卫星星历获得，通过再建立接收机与其他可观测卫星的几组方程组，接收机在地面的三维空间坐标（x，y，z）便可通过解方程组顺利求出，这便是卫星定位中的伪距定位法。伪距定位法使用测距码（C/A码或P码等）作为量测信号，考虑到一般接收机对测距码码元宽度的接收精度为1%~2%，而测距码的一个码元宽度又较大（C/A码为300m，P码为30m），所以米级定位精度是伪距定位法的理论极限，强求不得。但是运载测距码和导航电文的载波，频率高、波长短，如果能测量出传播路径上载波在两点之间的相位差，那么两点之间的距离也可以求出来。以北斗为例，北斗三代B1频点载波的中心频率为1575.42MHz，换算成波长约为190mm，而按照测距精度为载波波长的1%~10%计算，理论上可以实现毫米级定位。但现实情况是，使用载波相位定位方法的精度实际上只能控制在3m左右，与自动驾驶需求的厘米级定位精度相差甚远、与理论上可达到的毫米级定位精度相差更远。这样的定位精度还以引入周跳和整周模糊度N等一系列难题为代价。我们不禁要问，究竟是哪个环节出现问题导致卫星定位误差如此大呢？经过科学家们的不断研究，发现影响卫星定位精度的因素主要有三类：卫星相关误差、传播路径相关误差和接收机相关误差，各类误差汇总如图3所示。而在如何消除这些误差、提高卫星定位精度的道路上，逐渐形成两条不同的技术路线：差分方法和非差方法。差分方法的理论基础是：上述三大类误差中除多径效应外，均具有较强的空间相关性，将一定空间内两台接收机的观测值作差，可以消除这些空间相关性误差。比如，当两台接收机同步接收同一颗卫星信号，那么观测值中就包含了相同的卫星钟差，将两观测值作差便可消除此项误差；同理，一台接收机在同一时刻接收两颗卫星信号，那么观测值中就包含了相同的接收机钟差，将两观测值作差便可消除此项误差。其他误差类似，经过两次减法可以消除了大部分影响卫星定位的误差。究竟是在测距码层面作差还是载波相位层面作差，又将差分方法分成了码差分法和载波相位差分方法。码差分法中，基准站一方面基于观测值计算出伪距，另一方面基于基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离，将真实距离与伪距作差，得出伪距改正信息，并广播给接收机。载波相位差分，就是当前耳熟能详的传统RTK所采用的方案，整个系统包括卫星、基准站、流动站（各种类型的GNSS接收机）、电台等，如图4所示。工作时，基准站和流动站都在观测卫星载波信号。基准站通过电台将观测到的卫星载波信号广播出去，流动站收到基准站发送的信号后，与自身观测到的卫星载波信号进行双差模糊度的求解、基线向量的结算，从而精确地求出流动站与基准站的空间相对位置关系。随后通过坐标转换，将相对位置关系转换成用户需要的坐标。经过RTK这么一操作，卫星定位的精度平面可达1cm+D·1ppm ，高程可达2cm+D·1ppm。其中，D为移动站与基准站的距离，1ppm值为百万分之一，这意味着移动站离基准站每超过1公里，平面和高程就会多1毫米的误差。传统RTK的定位精度、实时性均已足够优秀，且实施简单，哪里需要就去哪里搭建这样一套系统，但是考虑到自动驾驶车辆不会永远只在限定区域内测试，如何建立一个能够覆盖区域甚至全球的系统，考验着服务提供商的财力和智力。更不可接受的是，传统RTK中卫星定位误差的空间相关性随移动站距离基准站的距离增加而逐渐失去线性，因此在超长距离下（约>30km），经过载波相位差分运算后，有可能无法解算出载波相位的整周模糊度，从而导致定位精度直接变为分米级或米级。为了克服传统RTK技术的缺陷，在20世纪90年代中期，人们提出了网络RTK（Network RTK，NRTK）技术。在NRTK中，普通基准站被升级为了连续运行参考站（Continuously Operating Reference Stations , CORS），并组成一个CORS系统，系统组成如图5所示。系统中的CORS通过数据通讯网络将观测值传输至一个或多个数据处理中心，数据处理中心结合基线处理与观测值内插技术，模拟出一个“虚拟基准站”（或选择距离流动站最近一个CORS），通过网络向移动站播发“虚拟基准站”（或距离最近CORS）的观测值、差分改正等信息。这意味着，在一定区域内，NRTK可以实现无缝覆盖。对于用户来说，使用NRTK，不需要自建基准站，只需要花点小钱买网络RTK服务及支付通讯费用即可，节约了大量成本。精度和可靠性还更高，毕竟CORS系统坏一两个站并不影响大局。但是对于服务商来说，要想提供大范围的无缝覆盖，无论是RTK还是NRTK，建设成本都极高。但是一旦建成，就可以源源不断享受用户付费的过程，类似建成后的高速公路。但是NRTK也不是没有缺点，其定位精度受网络稳定性影响极大，为了实现高精定位必须保证网络通信稳定。这对一些偏僻山区地区道路或网络覆盖不是那么好的道路，还是挺有难度，因此自动驾驶车辆通常采用基于NRTK的融合定位策略。非差方法奉行的宗旨就是：死磕各种误差，对各种误差进行精确建模或估计。精密单点定位（Precise Point Position，PPP）就是非差方法中的优秀代表，1997年由美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的Zumberge学者提出。PPP最大的特点就是可以用单台接收机实现全球分米级的绝对定位。人们不禁要问，不用差分方法，定位过程中的各种误差怎么消除呢？回答这个问题前，我们先看一个经典的PPP系统组成，如图6所示，整个系统主要包括地面监测网、地面主控站、上行链路站、流动站、低轨通讯卫星和导航卫星等。对于星历误差和卫星钟差，通过在全球搭建若干基准站组成地面监测网对导航卫星进行连续观测，并将观测数据通过网络发送给地面主控站。地面主控站综合其他信息，解算出精密卫星轨道和卫星钟差，并根据协议生成轨道改正信息和钟差改正信息，由上行链路站传输给低轨通讯卫星，低轨通讯卫星通过卫星信号将改正信息广播给流动站。对于其他误差，流动站内部在综合考虑各项误差精确改正的基础上，采用合理的参数估计策略（最小二乘法、卡尔曼滤波等）进行消除。重点来了，按照PPP的技术实现原理，其只要在全球建设百十来个基准站，组成地面监测网，用来收集解算轨道改正信息和钟差改正信息所需的卫星信号，就可直接确定移动站在国际地球参考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）下的高精度位置坐标，且不受作用距离的限制。相比RTK动辄成千上万的基准站以及受作用距离限制的缺点，PPP绝对称得上“定位一枝花”。以上优点，也让业界一致喊出：PPP是卫星定位技术中继RTK/NRTK技术后出现的又一次技术革命，它的出现改变了以往只能使用差分定位模式才能实现高精度定位的局面，为全球高精度卫星定位提供了一种有效的新方法。但是，被业界寄予厚望的PPP，诞生初期，其PPP定位精度只能达到分米级到米级，只能用于后处理无法进行实时定位，且需要近30分钟才能实现定位的初始化，信号失锁后的重新初始化时间与首次初始化时间几乎一样长。如何提高PPP定位精度？如何实现实时PPP？如何缩短初始化时间？成为PPP在20世纪末之后发展过程中最重要的三条主旋律。前文提到，使用载波相位观测值进行定位的时候，会产生整周模糊度，其值通常为整数。通过算法将这一整周模糊度求解出来之后，可将定位精度控制在厘米级，这个时候的定位结果也被称为固定解。但是也存在确实解不出整周模糊度的时候，这时定位精度只能控制在分米级，定位结果也被称为浮点解。整周模糊度与接收机硬件延迟误差（码偏差和相位偏差）高度线性相关，误差存在也将模糊度的整数特性破坏。RTK由于采用差分方法，比较容易将硬件延迟误差减掉，所以差分条件下模糊度的整数固定难度没有那么大。但是PPP采用硬刚各种误差的非差方法，如何分离接收机端和卫星端的硬件延迟误差，进而恢复非差模糊度的整数特性，成为PPP固定解的首要难题。为此，业内专家学者分别提出过小数偏差、整数钟、去耦钟等模型方法。上述3种非差模糊度固定解求解方法在理论上是等价的，都能最终实现了模糊度固定（Ambiguity Resolution，AR），只是实现方式不同，这类方法也常被称为PPP-AR。PPP由浮点解到固定解技术的突破，显著改善了PPP的定位精度，定位精度可控制在厘米级到分米级之间。定位精度有了长足进步，剩下就是后处理PPP到实时PPP的突破。而实时PPP的关键，就是要有实时的精密卫星轨道和卫星钟差产品的支持。PPP所需的精密卫星轨道和卫星钟差，在PPP诞生没多久被做成一个标准产品，由外部专业组织提供。这些外部专业组织既有国际GNSS服务（International GNSS Service，IGS）这样的国际学术合作组织，也有世界各地商业组织利用自建的CORS系统，提供PPP服务，国外有海克斯康（Hexagon）/诺瓦泰（NovAtel）、天宝（Trimble）、约翰迪尔（NavCom）、拓普康（Topcon）、辉固集团（FurgoN,V.）等。国内有千寻位置、大有时空、六方科技和时空道宇等。一开始的时候，这些组织提供的精密卫星轨道和卫星钟差产品按天或周为频率更新，只能提供给后处理领域使用。2000年，JPL的Muellerschoen等人提出实时PPP（Real Time - Precise Point Position，RT-PPP），随后一大波商业组织采用类似的方法，基于自己建立全球监测网的实时数据流，研发实时精密卫星轨道和卫星钟差产品。2007年，IGS启动了PPP实时计划项目，在项目的协调下，全球范围已有超过100个基准站正在提供实时数据流。利用IGS提供的实时观测数据流，基于地球同步轨道卫星可以实现实时估计并播发精密卫星轨道和卫星钟差产品。用户只需基于自身需求付费购买相应的GNSS增强服务即可，无需自己搭建任何基准站。至此，PPP在定位精度和实时性上面均取得了技术突破，并在地震监测、水汽遥感、低轨卫星定轨和电离层监测等领域开始小有名气。PPP的定位精度、实时性在一众专家的努力下，有了长足进步。但是，由于受相位偏差、对流层和电离层延迟等各种残余误差的影响，PPP固定解初始化时间仍没有多大改善，少则也需要20分钟左右才能实现固定。为了进一步改善实时PPP定位的精度、可靠性和时效性，德国GEO++公司Wübbena博士等人在2005年首次正式提出了PPP-RTK的概念，其基本思想是融合PPP和RTK两种技术的优势，利用已经建立起来的密集基准站设施，精化求解相位偏差、对流层和电离层延迟等参数，重新生成各类改正信息，并单独播发给流动站使用，以此解决常规 PPP定位中非差模糊度的快速固定难题，从而实现快速、准确定位。与PPP架构最显著的区别是，地面主控站与流动站之间多了一条通信链路，而这条链路让PPP-RTK具有如下两大特点，一是极大地提高了PPP定位的精度和收敛的速度，二是拓展了网络RTK的服务范围。PPP-RTK从观测值层面实现PPP与RTK的“紧组合”，以一种更优雅的方式解决了RTK“依赖于密集基准站资源，当多个CORS系统间存在覆盖盲区时难以实现连续服务”的问题。这意味着在基准站覆盖的区域，PPP-RTK和RTK相差不大，但是在基准站无覆盖的区域，PPP-RTK可以降级为PPP使用，获得不俗的定位精度。这样的特性恰好是自动驾驶功能完好性功能安全层面所期待的：（1）功能完好性：PPP-RTK的各类改正数是分开解算的，可以独立评估，从而较容易实现完好性监控，更能够匹配智能驾驶在功能安全方面的需求；（2）功能安全：让失效变得缓慢，缓慢地让车内用户有时间接管，缓慢地让最小风险策略可以从容地执行。但是PPP-RTK毕竟还是丢掉了PPP定位不依赖于密集基准站的支持这一独特优势，如何在不采用基准站来增强，实现非差模糊度的快速初始化，是业界面临的共同难题，也是PPP-RTK/PPP未来研究的重点。下面汇总PPP、RTK、PPP-RTK三者之间的性能对比，如表1所示。表1 PPP、RTK、PPP-RTK三者之间的对比（1）Hexagon/NovAtel——TerraStar服务说起Hexagon，行业内很多人可能要反应个几十秒，但提到NovAtel，估计很多人会脱口而出：这不就是那个一套接收机卖十几二十万的公司吗！NovAtel，这样一家，创造了卫星定位和校正技术先河的先驱公司，2008年以3.9亿美元卖给了Hexagon，这在当时让很多人唏嘘不已。TerraStar服务是Hexagon/NovAtel基于全球100多个基准站数据，提供的全球高质量实时改正服务，该服务提供的改正信息通过5颗地球同步卫星（L波段）或网络进行广播传输，根据其作用范围和性能，可分为TerraStar-L、TerraStar-C、TerraStar-C PRO与TerraStar-X服务。TerraStar-C PRO是Hexagon/NovAtel首次采用其新开发的RTK from the sky精密单点定位技术的全球改正服务，可提供包括更高采样率的卫星轨道和卫星钟差改正等信息，同时也可以实现模糊度的快速整数固定。TerraStar-C PRO改正服务，官方介绍具有厘米级定位精度、最快3分钟实现收敛以及全球范围可用等优势，是目前世界上收敛时间最短的全球改正服务。而TerraStar-X是在TerraStar-C PRO基础上发展而来的区域改正服务，相较于后者的全球可用性，TerraStar-X侧重在区域性运用（主要为美国部分地区），可实现厘米级定位精度和优于1分钟的收敛时间。Trimble公司成立于1978年，RTK接收机之父Javad Ashjaee在这里搞出了全世界第二个商用接收机4000A，RTK算法之父Benjamin Remondi也在这里挑灯夜战过，他们共同成就了Trimble在20世纪末到21世纪初这段时间在卫星定位领域的霸主地位。Trimble在2011年推出星基增强系统，2015年升级了区域电离层模型，支持现在常说PPP-RTK定位，其相对常规的PPP定位最大优点就是收敛时间短、固定快，所以取了个名字叫RTX Fast。RTX Fast利用全球监测网来计算精确的卫星轨道和卫星钟差，并将改正信息实时通过地球同步卫星（l波段）或网络进行广播，移动站收到改正信息后进行位置估计，具体采用的策略包括如下几条。（a）用数学模型精确地模拟误差源，或者使用全球或者区域网络数据进行误差估计。（b）卫星轨道误差没有在全球或区域网络中建模，因为使用Trimble实时精确轨道或IGS超快速轨道产品可以更好地对卫星轨道进行建模。（c）区域网络中建立卫星钟差模型，以吸收区域内出现的剩余轨道误差。（d）其他偏差则估计为小数部分，以保持载波相位观测值的整数特性。（e）RTX Fast服务器平均化处理来自基准站的载波和伪距观测的多路径和测站噪声。（f）RTX Fast生成的产品和改正信息以Trimble的CMRx压缩数据格式，通过地球同步卫星L波段或网络实现实时传输。（g）移动通过接收卫星/网络广播的RTX Fast校正信息，并与所有其他GNSS卫星信号一起，实时计算其精确位置。以上策略也让RTX Fast可以实现2-50cm水平定位精度、5cm的垂直定位精度，同时快速模式下收敛时间优于1分钟，而常规模式下收敛时间优于20分钟。（3）u-blox——PointPerfect服务u-blox是车载卫星定位芯片和模组领域的出货量霸主，其主机厂朋友遍布世界各地，其为瑞士的高福利立下了汗马功劳。PointPerfect是u-blox面向大众应用推出的GNSS增强数据服务，可通过卫星信号或网络向流动站广播，并使流动站在短时间内实现优于10厘米的定位精度。PointPerfect采用行业标准的SPARTN消息格式，辅以轻量级和安全的MQTT物联网传输协议，使其成为一个实时高效、低带宽、高性价比的解决方案，非常适合于大众市场应用。PointPerfect服务范围覆盖欧洲和美国大陆区域，包括距离海岸线12海里（约22公里）以内的区域。目前仅支持增强GPS（L1C/A，L2，L2C，L5）、Galileo（E1、E5a/b）和GLONASS（G1 C/A，G2 C/A）系统。（a）卫星轨道、卫星钟差、硬件延迟偏差：其中卫星钟差的更新间隔为5s，卫星轨道和硬件延迟的更新间隔为30s。（b）大气改正产品：包括VTEC模型、倾斜电离层延迟改正和天顶对流层延迟改正，其更新频率同样为30s。在GNSS观测数据无粗差、数据接收完整且有连续的改正数据且模糊度正确固定的情况下，PointPerfect在水平方向定位精度可以达到3-6 cm（95%置信区间）。而模糊度的初始化时间则会随电离层活动而变化，一般小于30 s。准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）是日本政府在2002年授权建立，2018年正式开始工作的一个区域增强卫星定位系统。QZSS目前采用三颗倾斜地球同步轨道卫星（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO） 和一颗地球同步轨道卫星（Geosynchronous Orbit，GEO）卫星组成。由于日本国土位于中高纬度地区，这样卫星星座设计使得在任意时刻能保证至少有1颗卫星能位于该国天顶方向（高度角大于60），所以被称作准天顶卫星系统。QZSS基于L6频段上的L6D信号播发增强信息，实现PPP-RTK增强服务——CLAS（Centimeter Level Augmentation Service）。L6D增强信息可以通过两种方式获得，一是通过支持CLAS的接收机接收，二是可以在QZSS官方网站上下载事后的增强电文。CLAS服务范围为日本境内，在日本境内将服务分为12个网络，服务范围及12个网络分布如图8所示。地面基准站网由日本境内的1300多个CORS中的212个组成，站点间的间隔约为60 km。这些基准站的主要作用是接收GNSS卫星的原始观测数据并通过网络发送至数据处理中心,数据处理中心通过网解得到卫星的轨道、钟差、码偏差、大气等信息，并将这些数据注入卫星或通过通信网络播发给用户，用户接收到这些改正信息后即可进行PPP-RTK定位。在进行数据播发时，电离层和对流层均以格网的形式播发。目前CLAS服务仅支持GPS（L1C/A，L1C，L2P，L2C，L5）、Galileo（E1B，E5a）和QZSS（L1C/A，L1C，L2C，L5）系统，未来将支持GLONASS和BDS系统。在所有被增强的卫星都用于PPP-RTK定位、没有周跳的卫星数大于等于5、卫星截止高度角设为15度等条件满足后，CLAS服务可达到的定位精度如表3所示。模糊度固定时间在95%置信区间一般小于等于60s。国内染指PPP-RTK领域的有千寻位置、六分科技、大有时空、时空道宇等，各家产品各有千秋，下文基于官网信息简介几个产品。2023年4月18日，六分科技在上海车展期间发布PPP-RTK新品“星璨”，产品架构如图9所示。官网只介绍了其具有实施车道级定位、亿级用户并发、适配车规级芯片、功能安全、高连续性、高稳定性等特点，但具体性能参数如何，未对外公布。2023年1月4日，大有时空正式发布PPP-RTK产品，官方介绍产品定位精度可达2cm，收敛速度可达30秒。目前有两种模式为终端用户提供高精度定位服务，一种是大有时空定位平台通过账号直接播发给终端用户，二是大有时空定位服务转发至战略合作伙伴播发服务平台，由合作伙伴服务平台播发给终端用户。而通过和海克斯康集团合作（海克斯康负责北美、欧洲的CORS网建设和数据中心的独立运维，大有时空负责中国的CORS网建设和数据中心的独立运维），大有时空的PPP-RTK产品可为全球用户提供服务。提到时空道宇，就不得不提“一箭九星”，2022年6月2日，吉利未来出行星座首轨九星在西昌卫星发射中心以一箭九星方式成功发射。根据时空道宇的技术说明，此次发射的九颗卫星，搭配时空道宇已经建设完成的地基PPP-RTK时空信息网络，以及北斗三号模组、终端产品，可以实现遥感、导航、通信技术的融合应用，为未来出行提供立体化保障。所以时空道宇PPP-RTK产品的与其他产品的最大不同将是：拥有自己的播发卫星，而其他家只能租用播发卫星。技术收敛是技术大规模落地的前提，真心期望PPP-RTK能尽快统一高精定位领域，为自动驾驶的量产落地贡献一份力量。https://mp.weixin.qq.com/s/YD5_75cEiJgUezCx4kkRoghttps://mp.weixin.qq.com/s/ZQd9auHN7vMpB1In95RKtQ【3】科普丨了解一下GPS定位中的误差源及削弱方法https://mp.weixin.qq.com/s/ynMshh1RGctu2zUOxUPsrghttps://mp.weixin.qq.com/s/cuWLQQqZwM8mxgLq_Te0pw【5】技术干货 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