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GPS定位更精准:追踪所有四个全球GNSS星系效益
 

【作者: Bernd Heidtmann】2021年05月05日 星期三

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追踪第四个星系可提高在高楼林立都会环境中的定位效能━而且也同时提高定位技术对干扰的整体承受力。


早在2015年,u-blox M8 GNSS接收器平台在提高定位效能方面,就取得了重大进展,能够同时追踪两个,以及在後来增加到三个GNSS星系。藉由在任何特定时间,使视线内的卫星数量大约增加三倍,可带来显着的定位效益:不仅可使用较大星系组合中的最隹讯号以更准确地计算位置,还能大幅缩短首次定位时间,尤其是在严苛的都会环境中。


之後是u-blox M9和u-blox M10的推出,进一步把任何特定时间可以追踪的GNSS星系数量增加到四个。尤其是,u-blox M10不仅可追踪四个星系,而且功耗水准比前几代产品改善了五倍,并将晶片尺寸缩小了35%,已为超低功耗高效能的定位应用树立了新的标竿。然而,使用者不免怀疑,多追踪一个GNSS星系,到底能提升多少定位效能?


因此,2020年时,把新一代u-blox M9 GNSS接收器带到美国和亚洲不同地点的道路上进行实地测试,验证追踪四个星系可为定位应用带来的效益。以下将说明,追踪四个星系与仅追踪三个星系的定位效能比较。


在严苛环境中进行测试


图一 : 在高楼林立的稠密都会区进行GNSS测试,直接比较接收不同星系数量的定位效能。
图一 : 在高楼林立的稠密都会区进行GNSS测试,直接比较接收不同星系数量的定位效能。

如图片所示,我们的测试并不是选在易於接收讯号的空旷环境中进行。我们希??能在常见的严苛环境中━亦即高楼林立的稠密都会区,直接比较接收不同星系数量的定位效能。


由於摩天大楼遮蔽了部分天空,因此限制了GNSS接收器视线内的卫星数量,使GNSS接收器很难在都会区中把轨道卫星发出的讯号锁定够长的时间,以便能持续进行定位。而根据理论,透过增加可用的卫星数量,多一个星系,应可带来显着的差异。


卫星可用性的微幅改善

图二 : 三个与四个星系测量结果
图二 : 三个与四个星系测量结果

我们的测量结果也证明了这一点。尽管记录的位置定位率提升并不显着━利用三个星系,已可实现99%左右的定位率。在新加坡的测试中,将星系数量调整到四个,以接收器追踪了28颗卫星,达到99.5%的定位率,而星系数量为三个时,追踪的卫星数量为27(另一组为25),定位率为99%(另一组为99.5%)。芝加哥的测试结果较不明显,定位率仅略好一些,分别为99.2%和98.7%(另一组为99.3%)。


可见卫星数量微幅增加

下列两张图表显示,我们的测试接收器在每个卫星系统中追踪的GNSS卫星数量,以及它们接收到的星基增强系统(Satellite-based Augmentation System;SBAS)讯号数量。


在第一张图中,把可同时追踪的星系数量限制为三个,并透过韧体把被追踪卫星的最大总数限制为30个。在第二张图中,让接收器追踪四个星系,除了同样有最大卫星数量限制之外,但还多了一个限制:每个星系被追踪的卫星数量限制为八个。


由於轨道上有大量的卫星,两个接收器可同时追踪到的卫星数量,一直都接近最大值。然而,这两者之间有一个非常重要的差别:当追踪三个星系时,接收器必须凑合着利用碰巧在视线范围内的任何卫星讯号。而当追踪四个星系时,接收器韧体可以很轻易地选择到能提供最多讯号讯息的卫星组合。



图三 : 追踪三个GNSS星系时,每个系统在新加坡追踪的太空载具(space vehicles;SV)数量。
图三 : 追踪三个GNSS星系时,每个系统在新加坡追踪的太空载具(space vehicles;SV)数量。

图四 : 追踪四个GNSS星系时,每个系统在新加坡追踪的太空载具(SV)数量。
图四 : 追踪四个GNSS星系时,每个系统在新加坡追踪的太空载具(SV)数量。

因此,追踪四个GNSS星系的效益包括:


一、卫星讯号的多样性更高,


二、更好的讯号品质。


以下将说明这些效益可直接带来的位置与速度准确度的提升。


提升位置和速度准确度

回到实验室後,我们分析了相同的道路测试数据,以比较追踪三个GNSS星系和四个GNSS星系时,所得到的位置和速度准确度之差异。



图五 :  城市环境准确度量测
图五 : 城市环境准确度量测

以上的数字可以说明一切。在这两种情况下,我们都观察到50%的定位和速度误差(CEP50)的改善,而且改善程度会随着增加测量百分比而提升。值得注意的是,增加一个星系会大幅降低异常值的大小━针对2D定位,减少了三倍以上;针对2D速度,大约减少了二倍。


另一个重要的发现是,所有受定位跳变(position jumps)(异常值)困扰的应用,都能藉由接收4个GNSS星系讯号而提升效能。


追踪更多卫星星系的整体效益

如同上述所发现的,追踪四个GNSS星系只会使GNSS接收器的定位时间微幅增加。对於任何使用GNSS接收器的人来说,这意味着,不管是追踪三个星系还是四个星系,他们的GNSS接收器都能提供定位和速度估算。但是,由於GNSS接收器可以从各种的卫星和星系中挑选最隹的GNSS讯号,因此它可提供更准确的定位和速度估算。


这里所讨论的定量结果其实还蕴含了其他的效益。如文章一开始所提到的,追踪三个GNSS星系可使整体定位解决方案更加强固稳定,以因应恶意RF干扰、意外的GNSS服务中断(例如2019年7月伽利略定位系统曾中断服务一星期)、或是在战争时期被故意中止服务等各种情况。而追踪第四个星系,更能进一步强化这些优势。


(本文作者Bernd Heidtmann为u-blox标准精准度GNSS产品策略经理)


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