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伽利略导航系统——二十年来不断提高精度

Galileo Satellite Constellation by Lukas Rohr: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Galileo_sat_constallation.gif

自伽利略系统概念诞生20年后,伽利略全球导航卫星系统的信号可覆盖全球范围。u‑blox是欧洲几大全球导航卫星系统(GNSS)接收器芯片制造商之一,至今已有二十年的历史。u‑box一直紧跟伽利略导航系统的发展趋势,彼此见证了共同的成长历史。

但首先有人会问,为什么又要建造另一个全球导航卫星系统?与GPS、GLONASS和北斗导航系统相比,伽利略导航系统能够提供什么不一样的服务吗?

有一个现成的答案是,尽管八颗可见的卫星足以为郊区或农村地区提供合理的定位精度,但在高楼林立的城市峡谷,情况会有所不同。在城市里,伽利略卫星的额外可见性连同北斗、GLONASS和GPS系统共同提高了实现精确定位的可能性。

但更重要的是,伽利略是首个为满足欧洲国家民用需求而设计的全球导航卫星系统,具备全球优势。相反,GPS、GLONASS与北斗系统主要用于军事用途,同时兼顾民用服务。这意味着各国政府可以有选择地改变这些卫星星座的民用用途,这可能会使欧洲失去关键的导航和定位服务。虽然目前没有受到威胁,但关闭民用功能的可能性是真实存在的。伽利略导航系统由欧洲控制,具有独立可靠的特点。

伽利略计划在多个方面具有独特优势,除了提供 “我在哪里”的基础导航服务外,还可提供其他服务。伽利略系统不仅为小众市场中的可穿戴产品的超低功耗接收器提供“稀薄”信号,还可为适用于各类用电环境的高性能、高精度产品接收器提供“密集”信号。

在过去二十年里,伽利略系统从1997年几个完全不同的想法发展成一个单一的概念,其受到了欧盟的认可,并作为切实可行的项目推出。2002年,项目进度受到概念及资金问题的影响,即便是在伽利略太空计划搁置的情况下,伽利略设计团队仍选择继续开发这项技术,。尽管面临诸多困难,设计团队仍然不断为伽利略系统信号、调制和信息结构提供可用的技术规范,以鼓励开发人员构想基于伽利略系统的接收器。u‑blox发现其采用的GPS模块很快受到认可,随即发布了技术规范。

多年以来,u‑box致力于将其他制造商的GPS接收器芯片集成到其早期的微型模块中。2007年,u‑box庆祝发布了自己的GPS接收器设计——u‑box 5模块系列。随着伽利略计划取得预期进展,u‑blox研发团队已经设计出了用于检测伽利略卫星信号的试用软件。

最初,伽利略系统准备使用与GPS相同的频段和CDMA调制技术,以便于u‑box 5无线电硬件、数字信号处理硬件和软件均可为伽利略系统信号提供支持。但是这也意味着,一旦美国在发生冲突期间关闭民用GPS信号,敌对方仍可使用伽利略信号攻击其目标。随着美国和欧盟之间时常爆发出紧张激烈的政治讨论,这一问题最终依靠改变伽利略的信号调制方案予以解决。该方案将系统隔离开来,同时允许它们在同一频段共存。

2007年,伽利略计划又一次不幸遭遇了财政/资金上的困难,而u‑box为伽利略系统开发的软件也从“准备测试”阶段沦为“束之高阁”的状态。

不过,在解决了伽利略资金问题的同时,项目进度延期却让伽利略核心设计团队增加并提升了系统功能,从而在服务领域向前迈出重要的一步,商业客户和个人客户均从中获益。例如,在关键的搜索和营救功能中,伽利略系统可发送用于应急定位信标遇险呼叫的确认信号。应急信标可捕捉显示伽利略卫星广播的信息,以提醒处于困境的人们救援力量正在赶来的途中。

u‑blox工程师持续追踪伽利略系统中的变化和更新,并通过新一代u‑blox 6(2009)、u‑blox 7(2013)和u‑blox m8x(2014)保持其就绪状态。2016年12月,欧洲航天局(ESA)正式批准伽利略具备初始定位能力。u‑blox发布了伽利略系统准备工具u‑blox M8 3.01版本软件,世界各地的早期使用者们坐在个人电脑前,静静地观看u‑blox M8模块中的u‑center显示屏,同时为首次检测到可用的伽利略信号而欢欣鼓舞。

最后,虽然伽利略的成功之路充满曲折,但现在看来,它的未来之路将变得更加平坦。

在安全方面,伽利略正在开发工具以消除人们对欺骗问题(即通过篡改接收到的GNSS信号来伪造资产定位)的担忧。到2020年,伽利略系统将采用“身份验证”信号技术,以减轻欺骗问题所带来的影响。

他们也考虑开发高精度的GNSS。随着时间的推移,Galileo Evolution可支持用于并发多频段传输的三种GNSS频带,通过校正最大的定位误差来源——电离层干扰,可显著提高定位精度。

然而,仅凭这一点还不足以达到V2X车辆安全系统和日益自主车辆所要求的厘米级定位精度。虽然今天已经可以提供高精度的GNSS系统服务,但其成本却高达数百美元,而且所涉及的校正服务并不适用于大众市场应用。

近日由u‑blox和多个公司联合组建的合资公司Sapcorda正在寻求通过开发一项GNSS校正服务来填补这一空白。该服务专为支持高精度的大众市场应用而量身定制,旨在实现通信和校正数据来源方面的厘米级精度。

-blox将继续与伽利略和其他GNSS系统保持同步,为用于安全方面、交通运输和“事物”简单定位的众多新应用提供支持。