完整性：您真的能相信您的 GPS 位置嗎？
彈性 GPS/GNSS 接收器可保護 INS 系統(tǒng)免受干擾和欺騙
盧瓦爾河谷的法國葡萄園景色優(yōu)美，但該農(nóng)場在招募工人為有機種植的葡萄除草方面遇到了困難。年輕一代已移居城市，導致城市社區(qū)勞動力短缺。解決方案：由法國錫蒂亞公司開發(fā)的全自動拖拉機，不知疲倦地為葡萄藤之間的狹窄行除草。經(jīng)過整整一個月的除草和數(shù)百公里的覆蓋后，Sitia 找到農(nóng)民檢查所做的工作，并賠償了在運營一個月期間受損的 2 棵葡萄藤。他們驚訝地聽到農(nóng)民驚呼：“當我用手動拖拉機完成同樣的工作時，我每天至少損壞兩棵葡萄樹！你的機器人怎么能這么小心呢？” 高度的準確性和完整性確保了自主操作的高質量。
但定位的完整性到底是什么？它如何影響機器人和其他自主機器的性能和可靠性？完整性是指定位和定位精度信息的真實性，即使這意味著在某些具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中表明當前位置信息并不如預期的準確。提供高完整性定位的一部分是稱為 RAIM 或 RAIM+ 的統(tǒng)計分析，后者將這種分析提升到一個新的水平，作為更大的定位保護包的一部分。
為什么完整性對于自動化至關重要？
讓我們仔細研究一下 GNSS 接收器的完整性，即真實報告可能的定位誤差，以及過于樂觀的報告如何導致危險的自主操作。接收器精度的報告是通過定位不確定性來完成的，定位不確定性是計算位置的最大可能誤差。它給人一種定位誤差風險的感覺，在具有挑戰(zhàn)性的 GNSS 環(huán)境中尤其必要，在這種環(huán)境中，接收器只能“看到”有限數(shù)量的 GNSS 衛(wèi)星，或者 GNSS 信號質量下降。
圖 1 在良好的 GNSS 條件下，藍線所示的位置不確定性完全在警報限值內(nèi)，表明運行安全。接收器的實際位置應始終保持在藍色不確定性邊界內(nèi)。
此類錯誤報告對于所有自主機器都很重要，尤其是對于有保證的 PNT 應用和關鍵任務操作。請記住，一致的位置可能看起來準確，但仍然可能不正確。定位不確定性表明您在任何給定時刻可以在多大程度上依賴定位精度。
下圖中的藍線顯示了 GNSS 接收器在有利條件下估計的位置不確定性，此時天空視野暢通無阻，并且接收器與許多衛(wèi)星具有直接視線。接收器操作員可以設置警報限制（以紅色顯示），以便接收器可以在定位不確定性變得太大時標記情況。
在有利的條件下，定位不確定性遠低于警報限值，因為計算出的位置幾乎與機器人的實際位置相同。然而，在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中，定位不確定性的真實性變得至關重要（見圖 2）。例如，當天空的視野被建筑物或樹葉部分遮擋時，接收器只能訪問有限數(shù)量的 GNSS 衛(wèi)星，從而更難以計算準確的位置。在這種情況下，接收器必須報告更高的定位不確定性，以便系統(tǒng)可以采取適當?shù)拇胧?，例如切換到較低的速度、遠離預定義的邊界或停止。
圖 2 在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中，具有高完整性的接收器報告較大的定位不確定性，向系統(tǒng)標記可能的不準確性。如果接收器對其精度過于樂觀，操作就會變得危險。
低完整性接收器可能會持續(xù)報告樂觀的定位不確定性，即使計算出的位置遠離實際位置，該不確定性也仍低于預設警報限制。這個數(shù)字可能看起來不錯，但實際上它變成了一個“逍遙的機器人”，不再按照計劃的路徑行駛，并有損害自身和周圍環(huán)境的風險。
讓我們看看在城市峽谷進行 GNSS 汽車測試時的不確定性限制，那里的天空視野被房屋部分遮擋。橙色線是馬賽克報告的定位及其不確定性邊界汽車中的 GNSS 模塊，而紅線是另一種流行的 GNSS 接收器報告的定位及其不確定性邊界。白線顯示汽車沿道路行駛時的實際位置。馬賽克接收器的橙色不確定性邊界是真實的，并且在這種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中稍微寬一些，您可以看到實際位置始終保持在這些邊界內(nèi)。另一方面，紅色軌跡在道路上某個具有挑戰(zhàn)性的地方偏離了路線，實際位置不再處于不確定性邊界內(nèi)，這仍然過于樂觀。在這種情況下，競爭對手的接收器會產(chǎn)生錯誤的安全感，并且系統(tǒng)不知道其危險操作。
圖 3：在城市峽谷汽車測試中，Septentrio 接收器報告真實的位置不確定性。競爭對手的接收器似乎更準確，而實際位置甚至不在其報告的不確定性邊界內(nèi)。
例如，如果紅線所示的接收器將為 ADAS 汽車系統(tǒng)提供導航信息，則可能會誤導系統(tǒng)認為汽車換了車道。如果系統(tǒng)隨后嘗試通過切換回“正確車道”來糾正軌跡，這將導致汽車偏離路線，并可能撞到人行道甚至另一輛車。
圖 4：在 Septentrio 接收器中，RAIM+ 是完整 GNSS+ 保護套件的一個組件，其他組件包括 AIM+ 抗干擾反欺騙技術、針對電離層活動的 IONO+ 保護以及 APME+ 多路徑緩解。
RAIM 與 RAIM+
真實定位不確定性報告背后的基本機制是 RAIM（接收機自主完整性監(jiān)控），它確?；诮y(tǒng)計分析和排除任何異常衛(wèi)星或信號的真實定位計算。Septentrio 接收器專為高完整性而設計，并通過 RAIM+ 將 RAIM 提升到新的水平，以高度的置信度保證定位的真實性。在 Septentrio 接收器中， RAIM+ 實際上是稱為 GNSS+ 的綜合接收器保護套件的一個組件，包括各個級別的定位保護，包括 AIM+ 抗干擾和反欺騙、 IONO+ 對電離層閃爍的恢復能力以及 APME+ 多路徑緩解。
Septentrio RAIM+ 統(tǒng)計模型已根據(jù) 20 年來收集的超過 50 TB 的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了微調。它消除了可能因多徑反射、太陽電離層活動、干擾和欺騙而產(chǎn)生錯誤的衛(wèi)星和信號，同時與上述 GNSS+ 組件一起工作。由于這種多組件保護架構，它實現(xiàn)了非常高水平的定位精度和可靠性，遠遠超出了標準 RAIM。RAIM+ 統(tǒng)計模型具有自適應性、高度詳細且完整，利用了所有可用的 GNSS 星座和信號。Septentrio 的GNSS/INS 接收器系列中甚至還提供完整的 RAIM+ 功能。用戶控制的參數(shù)使其能夠根據(jù)特定要求進行調整。
下圖顯示了在對 Septentrio GNSS 接收器進行干擾和欺騙攻擊期間 RAIM+ 的運行情況。雖然 AIM+ 可以消除 GNSS 干擾的影響，但 AIM+ 和 RAIM+ 可以共同阻止欺騙攻擊。中間圖表中顯示的距離誤差較大的衛(wèi)星會被 RAIM+ 刪除，因為它們不符合預期的衛(wèi)星距離。
圖 5：在這種情況下，jJamming 會產(chǎn)生衛(wèi)星距離誤差，但可以通過 AIM+ 技術來抵消。在欺騙過程中，AIM+ 會消除一些被欺騙的衛(wèi)星，而其他距離錯誤的衛(wèi)星則被 RAIM+ 算法排除。
這個例子表明，即使在干擾和欺騙的情況下，Septentrio 的高完整性接收器技術也能提供任何自主系統(tǒng)都可以信賴的真實可靠的定位。
圍繞可靠性進行 GNSS 設計
設計可靠的 GNSS 接收器在定位不確定性報告以及 RAIM+ 高級統(tǒng)計建模中力求實現(xiàn)高度完整性。這確保了這些接收器提供真實、及時的警告消息，并在各種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中具有彈性。INS（慣性導航系統(tǒng)）等其他技術也可以與 GNSS 接收器耦合，以擴展定位可用性，即使在 GNSS 短暫中斷期間也是如此。衛(wèi)星信號、CPU 狀態(tài)、基站質量和整體質量的質量指標可以在任何給定時間監(jiān)控定位可靠性。高完整性 GNSS 接收器可為 Sitia 除草拖拉機等自主機器提供真實定位。它們也是安全關鍵應用中的關鍵組件，
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