困擾行業(yè)的難題有解了！千尋位置率先推出電離層擾動(dòng)解決方案

近期，在測(cè)量測(cè)繪、智能駕駛、無(wú)人機(jī)等高精度定位相關(guān)領(lǐng)域不免遇到類似問(wèn)題：“無(wú)人機(jī)怎么無(wú)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(dòng)無(wú)法固定的情況？”隨著太陽(yáng)活動(dòng)峰年的到來(lái)，電離層的活躍程度也在逐步加劇，受電離層活躍的干擾，出現(xiàn)定位精度不準(zhǔn)甚至無(wú)法定位的情況。

電離層干擾是困擾GNSS定位領(lǐng)域的世界級(jí)難題。千尋位置從無(wú)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(cè)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(shí)感知等在內(nèi)的電離層擾動(dòng)解決方案，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(duì)電離層的行業(yè)挑戰(zhàn)貢獻(xiàn)了創(chuàng)新的中國(guó)方案。

電離層變化趨勢(shì)圖

 對(duì)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(duì)流層誤差等信號(hào)傳播路徑相關(guān)誤差；以及衛(wèi)星信號(hào)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(yáng)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(hào)從太空到達(dá)地球終端的“必經(jīng)之路”。

GNSS衛(wèi)星信號(hào)在穿過(guò)電離層時(shí)，其傳播速度和方向都會(huì)發(fā)生改變，傳播路徑也會(huì)發(fā)生輕微的彎曲，使得衛(wèi)星信號(hào)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(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的到來(lái)，電離層變得更加難以預(yù)測(cè)。這場(chǎng)太陽(yáng)活動(dòng)周期以11年為單位，于2019年12月開(kāi)始加劇上升，預(yù)計(jì)2025年7月達(dá)到峰值。

          太陽(yáng)活動(dòng)周期圖，圖片來(lái)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(dòng)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(duì)？成為擺在全行業(yè)面前的問(wèn)題。

 基于長(zhǎng)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(guó)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(kāi)始了和電離層擾動(dòng)不斷較量的技術(shù)攻堅(jiān)。

在國(guó)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(shí)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(zhǎng)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(chǎng)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(duì)電離層擾動(dòng)的前提。

算法專家們并沒(méi)有就此止步。他們很快發(fā)現(xiàn)，在電離層活躍等級(jí)較強(qiáng)的場(chǎng)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(duì)升級(jí)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(jí)。

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(guò)建模改正大部分的電離層誤差，并能夠利用區(qū)域信息對(duì)電離層活躍進(jìn)行判斷，但卻無(wú)法解決電離層建模的殘余誤差問(wèn)題。相比之下，用戶端雖然無(wú)法對(duì)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(shì)進(jìn)行取長(zhǎng)補(bǔ)短，通過(guò)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(kāi)啟消電離層模式。

經(jīng)過(guò)對(duì)比測(cè)試，在云端協(xié)同下，當(dāng)消電離層模式開(kāi)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(jí)上升至厘米級(jí)。在具體的電離層活躍時(shí)段，效果對(duì)比更加明顯，RTK設(shè)備從基本無(wú)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(duì)比

 

千尋位置首創(chuàng)電離層查詢平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)查詢與預(yù)警

對(duì)于極端活躍導(dǎo)致無(wú)法作業(yè)的情況，千尋位置推出業(yè)內(nèi)首個(gè)電離層查詢平臺(tái)，則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(tái)通過(guò)平靜、中等、強(qiáng)、超強(qiáng)四個(gè)等級(jí)，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(duì)電離層長(zhǎng)周期觀測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際影響程度，闡釋不同的等級(jí)對(duì)定位精度的影響。例如，當(dāng)電離層活躍等級(jí)處于強(qiáng)和超強(qiáng)時(shí)，將對(duì)定位精度產(chǎn)生較大乃至很大影響。此時(shí)，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(tái)

千尋位置的算法專家青城博士介紹：“我們希望在全國(guó)范圍內(nèi)構(gòu)建精細(xì)化的電離層電子總含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如果這個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)可以像日常的天氣實(shí)況播報(bào)一樣，將能發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值?！?/p>

通過(guò)引入創(chuàng)新技術(shù)與解決方案，千尋位置正在開(kāi)啟高精度定位領(lǐng)域電離層實(shí)時(shí)感知的新時(shí)代，不斷用自主創(chuàng)新引領(lǐng)時(shí)空智能服務(wù)穩(wěn)定高質(zhì)量發(fā)展。

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