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GPS 精度:跟踪四个全球 GNSS 星座的好处

Singapore urban canyon

早在 2015 年,u‑blox M8 GNSS 接收机平台在提高定位性能方面就取得了重大进展,先后具备同时跟踪两个和三个 GNSS 星座的能力。其结果就是,在任何给定时间,视线内的卫星数量大约增加了三倍,从而带来了明显的好处:不仅可以使用来自较大集合的最佳信号来更精确地计算位置;还显著缩短了首次定位时间,尤其是在具有挑战性的城市环境中。

后来,u‑blox M9 和 u‑blox M10 问世。这两种模块将在任何给定时间可以跟踪的 GNSS 星座数量增加到四个。这就引出了一个问题:多跟踪一个 GNSS 星座真的可以带来多少改进?

今年早些时候,我们在美国和亚洲的地点对我们最新一代的 u‑blox M9 GNSS 接收机进行了路试。下面是接收机在跟踪四个星座与仅跟踪三个星座时的性能的对比。

充满挑战性的路试

Sites of the M9 road tests using 4 GNSS constellations上图所示为我们的测试现场的图像,首先要明确一点,我们对这种简单的开阔场景不感兴趣。我们的目的是,在一个常见但极具挑战性的环境中进行性能的直接对比:具有深层城市峡谷的大都市市区。

由于摩天大楼遮挡了一部分天空,因此限制了 GNSS 接收机视线内的卫星数量,所以城市峡谷导致 GNSS 接收机很难将轨道卫星发出的信号锁定足够长的时间以实现连续定位。通过增加可以观测到的卫星数量,至少从理论上讲,一个额外的星座应该会带来显著差别。

卫星可用性略有改善

Number of tracked satellites with 3 versus 4 GNSS尽管我们记录的定位率改善并不显著,但我们的测量结果证明了这一点。我们之前已经使用三个星座实现了 99% 左右的定位率。这次在新加坡,我们调谐到四个星座,此时接收机能够跟踪到 28 颗卫星,实现了 99.5% 的定位率,而在调谐到三个星座时,跟踪到的卫星数量为 27 颗(响应数量为 25 颗),定位率为 99%(响应率为 99.5%)。在芝加哥进行路试的结果没那么明确,其定位率仅稍好一点,即 99.2% 对比 98.7%(响应率为 99.3%)。

可见卫星的数量略有增多

下面的两个图表显示了我们的测试接收机跟踪到的每个卫星系统的 GNSS 卫星数量,以及接收机接收到的 SBAS(星基增强系统)信号的数量。在第一个图表中,我们将可同时跟踪的星座数量限制为三个,通过固件将跟踪的卫星的最大总数限制为 30 颗。在第二张图表中,我们让接收机跟踪四个星座,同时设置了相同的最大总数限制,但又有一个附加条件:将可跟踪的每个星座的卫星数量限制为八颗。

鉴于轨道上有大量卫星,两个接收机始终接近于其可以同时跟踪的单个卫星的最大数量。但是,两者存在一个重要的区别。跟踪三个星座时,接收机必须处理其视线范围内的全部卫星。跟踪四个星座时,接收机固件会变得挑剔,并仅选择其信号提供最多信息的卫星子集。

Number of tracked satellites with 3 versus 4 GNSS在新加坡跟踪三个 GNSS 星座时跟踪到的每个系统的空间飞行器 (SV) 的数量

Number of tracked satellites with 3 versus 4 GNSS在新加坡跟踪四个 GNSS 星座时跟踪到的每个系统的空间飞行器 (SV) 的数量

跟踪四个 GNSS 星座的好处是 (i) 卫星信号的多样性更大,以及 (ii) 信号质量更好。在下一节中,我们将会看到,这些好处直接转化为定位和测速精度的提高。

定位和测速精度的提高

回到计算机实验室后,我们分析了相同的路试数据,以比较跟踪三个 GNSS 星座时与跟踪四个 GNSS 星座时的定位和测速读数的准确性。

Table reporting accuracy measurements in position and velocity数据说明了一切。在这两种情况下,我们都观察到了 50% 定位和测速误差(CEP50) 的改善,并且这些改善随着我们增加所考虑的测量百分比而增长。值得注意的是,添加一个额外的星座会极大地减少离群值的大小 – 对于 2D 定位,降低了三倍以上;对于 2D 测速,降低了近两倍。另一个重要发现是,所有经历位置跳变(离群值)的应用都将从 4GNSS 接收中大幅受益。 

跟踪更多卫星星座的总体好处

如我们所见,跟踪四个 GNSS 星座仅会导致 GNSS 接收机进行定位的时间略有增加。对于使用 GNSS 接收机的任何用户,这意味着其 GNSS 接收机将提供位置和速度估计值,而不管接收机是在跟踪三个星座还是四个星座。但是,由于 GNSS 接收机可以从种类繁多的卫星和星座中挑选最佳的 GNSS 信号,因此接收机可以提供更准确的位置和速度估计值。

此处报告的定量结果仅说明了其性能的一部分。如开篇段落所述,跟踪三个 GNSS 星座会增强整体定位解决方案 – 无论是针对恶意射频干扰、GNSS 服务意外中断(包括 Galileo 在 2019 年 7 月发生的一周服务中断)还是故意保留的服务(包括在战争时期)。跟踪第四个星座进一步支持了此类优势。