为什么多频带和多星座对GPS/GNSS接收机有重要影响?

 

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GPS Satellite

 

多星座多频带GNSS接收机如今在许多行业广泛用于厘米级的可靠定位。 在当今可用的各种专业级GNSS接收机中,接收机可访问的卫星星座和信号的数量也存在差异。能够访问最多星座和信号的接收机可提供最佳的定位可用性、精度和复原性,即使在挑战性环境下也如此。 它们还可访问通过GNSS信号提供给用户的新服务和即将推出的服务。 这些服务包括防欺骗服务(比如Galileo OSNMA和GPS Chimera)、高精度服务(比如Galileo HAS、QZSS CLAS和BeiDou HAS等)。  

多星座技术 

全球卫星导航系统 (GNSS) 是一种卫星系统,它从太空传播包含定位和授时信息的信号。这些信号被接收机拾取,接收机然后根据该信息用经度、纬度和高度判定它们的地理位置。

GNSS与GPS

那么,GPS和GNSS接收机之间的差别是什么?简单的GPS接收机仅使用一个全球导航卫星系统,而多星座GNSS接收机同时从多个这样的系统获取信息。这让它们能够在任何给定的时间“看到”多得多的卫星。Septentrio GNSS接收机可连接到每个GNSS系统中的任一颗卫星,最大程度提高定位可用性和精度。

 

GNSS 国家          卫星 覆盖范围
GPS           

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美国 32 全球
GLONASS 

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俄罗斯  24 全球
伽利略  

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欧洲 26+ 全球
BeiDou     

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中国

第2阶段:15+
第3阶段:25+

全球
第2阶段 中国大部分地区
QZSS        

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日本 4+ 覆盖日本和亚太地区
NavIC       

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印度 7+ 覆盖印度

表1:GNSS星座及其来源国、卫星的近似数量和覆盖范围。  

 

多频带技术

每一颗GNSS卫星用一个或多个频带发射测距信号和导航数据。这些信号的可靠性和可用性各有不同。接收机可访问的信号越多,它能从卫星收集的信息越多,计算出的位置越精确、越可靠。   

手机、汽车和其他消费电子设备中的导航GPS通常只使用一个频带 (L1) 上的GPS或GNSS信号。 双频带接收机可从每个卫星系统接收两个信号,而多频带接收机可从任何GNSS系统接收大量信号。 此类多频带接收机突破了GNSS技术的限制,能实现最精确、最可靠和最稳健的定位。  

GNSS

所用信号

GPS

L1CA、L1P、L1C、L2C、L2P和L5

GLONASS

L1CA、L1P、L2CA、L2P和L3CDMA

伽利略

E1、E1b、E5a、E5b、E6和E5-AltBoc

BeiDou

B1I、B1C、B2a、B2b、B2I和B3I

QZSS

L1CA、L1C、L1S、L2C、L5和L6

NAVIC

L5

表2:Septentrio GNSS接收机支持的GNSS系统及信号一览表

 

即将推出的GNSS接收机 

各种GNSS系统都在探索通过高安全性、高精度的定位服务给其卫星星座增添价值的方式,不久的将来就可通过GNSS信号直接获得这些服务。 使用永不过时的多频带GNSS接收机可让用户在这些即将推出的服务可用时尽早利用它们。  

除了CAS有可能收费,所有这些服务将免费提供。  

服务 

附加值 

GNSS 

信号 

地区 

状态 

OSNMA 

防欺骗  

伽利略 

E1b 

全球 

运行测试 

Chimera 

防欺骗  

GPS  

L1C 

全球 

尚未运行 

CAS 

防欺骗(商用)  

伽利略 

E6 

全球 

尚未运行 

HAS 

高精度(分米级 ~20cm) 

伽利略  

E6 

全球 

接近测试 

CLAS 

高精度(亚分米级) 

QZSS 

L6 

日本 

运行 

SLAS 

高精度(亚米级) 

QZSS  

L1S 

日本 

尚未运行 

PPP-B2b 

高精度(分米级 ~20cm) 

BeiDou 

B2b 

中国 

运行测试 

表3:永不过时的多频带接收机可让用户利用即将推出的GNSS服务 

 

困难环境中的GNSS定位

GNSS接收机至少连接到4颗GNSS卫星时,它就可计算其位置(经度、纬度和高度)。 通过使用校正,比如RTK,GNSS接收机可将其精度进一步提高到厘米级。 尽管如此,接收机“看到”的卫星越多,其精确定位越可靠,即使在挑战性环境下也能提供位置的可能性越大。  

在作业现场,天空视野经常被机械、建筑物、岩石或植被局部阻挡。这意味着可用卫星数量明显减少。跟踪所有可能存在的卫星系统发射的所有信号的多频带GNSS接收机,可“看到”尽可能多的卫星,有助于它们在此类颇具挑战性的条件下表现稳健。  

图像

Blocked GNSS sky - urban canyon due to skyscrapers

通过多星座、多频带技术,最大限度提高困难环境下的可用性

 

如果天空视野完全被阻挡,比如桥梁下方或厚植被下方,怎么办?GNSS/INS系统可以用惯性传感器计算与上一个已知GNSS位置相对的位置,填补临时GNSS中断时的空白。

 

使用多频带GNSS接收机的优势是什么? 

除了困难环境下的稳健性能,接收机可访问更多GNSS频带还有其他优势。  

  1. 消除电离层误差: 单频带和双(或多)频带接收机之间的主要区别因素在于可通过消除一阶电离层误差来实现更高的精度。 电离层中的带电粒子会干扰并延误GNSS信号。 接收机可访问同一颗卫星发射的两个或多个信号时,就可消除所有主要的电离层误差,将单机精度从数米降至一米。 查阅有关IONO+抗电离层干扰的更多信息。
     
  2. 射频干扰稳健性:同一频带上的其他信号压制了GNSS信号时,就会发生干扰。干扰可能由无线电业余爱好者或附近的电子设备造成,它在某个时刻通常影响GNSS频带中的一个频带。 使用多个频带上的信号可让接收机在检测到一个频带上的干扰时切换到另一个频带。 查阅有关先进的抗干扰和干扰监测技术的更多信息。
     
  3. 更出色的多路径抑制:单频带接收机中使用的L1信号容易受多路径影响。 多路径是直线视线信号被建筑物、汽车或树木等物体反射的相同信号污染时发生的失真。 新型GNSS信号,比如GPS L5、伽利略L1BC,尤其是伽利略E5-AltBoc,本质上对多路径更具稳健性,因此,使用这些信号的接收机不那么容易受多路径误差影响。 此外,Septentrio多频带GNSS接收机采用了先进的APME+算法,可实现最高程度的多路径复原。
     
  4. 更高的精度:访问多颗卫星创造了冗余,可对卫星及其信号进行统计分析。 具有此类统计信息可让接收机检测并消除意外的测距信号故障,提高定位精度。  
     
  5. 与RTK网络的兼容性:能够接收所有GNSS信号使接收机完全兼容各种RTK网络,因为RTK校正只是为特定信号提供的。例如,RTK网络可提供E5b而不是E5a的校正。
     
  6. 快速RTK解算和定向初始化:对于单频带接收机,获得RTK固定解可能要用长达几分钟的时间,RTK固定解是RTK能实现的最精确的定位精度。如果接收机可跟踪并利用多个信号,获得定位和定向(双天线接收机)的收敛时间可降低至数秒。 这在挑战性环境下尤其重要,这种环境中可能会偶而失去定位,需要尽快重新获取。  
     
  7. 额外的欺骗检测:  使用多频带的接收机可利用这些频带进行额外的欺骗检查。通过比较各种信号的测距(至卫星的距离)信息,可检测并标记异常情况。 了解有关什么是欺骗,如何确保GPS安全?的更多信息。  

 

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