利用 GNSS 星座通播的全頻譜信號，滿足客戶在精度、穩(wěn)健性、可靠性等方面的嚴格要求
作者：Mårten Ström,u-blox AG工業(yè)導航與機器人產品管理總監(jiān)
中國上海- 2024年11月26日-40多年來，GNSS/GPS技術不斷發(fā)展進步，提高了精度和可靠性，也成就了更加復雜的定位、導航和授時 (PNT) 應用。在過去幾年間，不斷引入的新衛(wèi)星信號覆蓋了日漸擴大的頻譜，為技術的發(fā)展進步提供了助力。
現代多頻段GNSS接收機能夠追蹤所有可用頻段的信號，顯著提高了PNT性能，也成就了復雜的應用。然而，高昂的成本在很大程度上限制了此類接收機在高價值領域的應用，包括建筑和采礦領域的勘測和重型機械。
本白皮書探討了新一代小巧型全頻段GNSS接收機的優(yōu)勢。這些接收機專為滿足無人駕駛車輛、無人駕駛飛行器、重型機械和精準農業(yè)、汽車導航系統及工業(yè)授時和同步等關鍵應用的需求而設計。
本白皮書首先介紹了所有主要全球和區(qū)域衛(wèi)星系統通播的衛(wèi)星信號，隨后簡要介紹了除精度、可靠性和穩(wěn)健性之外，全頻段GNSS接收機還能如何從各項關鍵商業(yè)指標出發(fā)提高性能，包括精簡生產、簡化生產制造流程，以及增強安全性和完整性。
最重要的是，全頻段GNSS接收機能夠跟蹤GNSS衛(wèi)星使用的所有頻段，這確保了接收機可以升級，從而使用新興服務，例如Galileo的高精度服務 (HAS) 和日本的厘米級增強服務 (CLAS)。憑借這樣的特點，全頻段GNSS接收機模塊成為在大眾市場上大規(guī)模采用這些服務的關鍵支持因素。
在各種著眼未來的應用中，全頻段GNSS接收機均已成為理想的定位平臺。順應這種趨勢，u-blox將繼續(xù)開發(fā)適用于高性能大眾市場應用的定位硬件，從而推動技術的采用
全頻段GNSS在新應用中發(fā)揮卓越性能
基于衛(wèi)星的定位、導航和授時 (PNT) 應用于20世紀80年代公開推出，自那之后，市場對提高精度和可用性的呼聲更加強烈，這推動了此類應用的性能。這種發(fā)展演變促使衛(wèi)星信號激增，不但帶來了新的GNSS系統，近期又促使衛(wèi)星信號擴展到越來越多的頻段。如今GPS/GNSS信號在1至2 GHz的L-band上以多種頻率通播。這些頻段通常劃分為L1、L2、L5和L6/E6頻段。
第一代民用GNSS接收機只能接收在L1頻段上通播的衛(wèi)星信號，使得這類接收機無法充分發(fā)揮在定位精度和穩(wěn)健性方面的性能，也無法支持更高級的應用，特別是在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中。
隨著GNSS技術的發(fā)展進步，多頻段接收機的問世帶來了重大飛躍。這些設備能夠追蹤多個頻段，顯著提升了性能，成就了更加復雜的應用場景。
如今，GNSS技術的發(fā)展最終促成了全頻段GNSS接收機的開發(fā)，從而將這些高性能定位解決方案的應用范圍拓展到了新的市場與應用場景。在這種推動力的背后，是功能強大、結構緊湊、低成本的新一代GNSS接收機。此類接收機能充分利用GNSS衛(wèi)星和地面基礎設施傳輸的全頻譜GNSS信號。本白皮書探討了在不斷壯大的工業(yè)、汽車和商業(yè)應用領域，如何發(fā)揮全頻段GNSS接收機的潛力來提供高精度定位、導航和授時功能
探索現有技術無從實現的商業(yè)價值
在工業(yè)、汽車、商業(yè)和消費市場的定位、導航和授時應用中，GNSS/GPS技術的身影無處不在。該技術可在全球任何地點實現厘米級定位精度和納秒級授時精度，為各類應用提供出眾的價值。
利用全頻譜GPS/GNSS信號，即可為目前依賴多頻段GNSS解決方案的高性能PNT應用釋放更高的商業(yè)價值。下面的應用場景展現了全頻段GNSS解決方案的潛在優(yōu)勢，不僅體現在性能方面，還體現在解決方案的設計、安全與擁有成本方面。
無人駕駛汽車(UGV)
多頻段GNSS解決方案:無人駕駛汽車的工作環(huán)境有著極具挑戰(zhàn)性的信號狀況，因此需要利用多頻段GNSS接收機和GNSS校正服務實現分米級定位精度。這類高精度定位解決方案通常由一個多頻段GNSS接收機和本地相關校正數據流訂閱構成，后者通常通過蜂窩通信網絡傳輸。
全頻段GNSS解決方案:全頻段GNSS接收機可利用在所有頻段中發(fā)射的衛(wèi)星信號，有望提高UGV定位解決方案的可用性、穩(wěn)健性和安全性。全頻段GNSS接收機能使用單個設備追蹤所有信號，包括全球GNSS校正數據這進一步提高了解決方案設計、生產、認證和全球分發(fā)的靈活性。
主要優(yōu)勢：
利用所有可用GNSS信號，實現出色的可用性
提高解決方案的穩(wěn)健性，加快收斂速度
全球有效的校正服務，適用于高精度定位
由于獨立于易受攻擊、基于IP的校正，抗風險能力更高
適用于全球的解決方案，可簡化生產制造流程
簡單、經濟的定位解決方案，封裝在一件設備之中
無人駕駛飛行器(UAV)
多頻段GNSS解決方案:無人駕駛飛行器通常在開闊天空信號環(huán)境中運行，將多頻段GNSS接收機與GNSS校正服務相結合，實現分米級定位精度。
全頻段GNSS解決方案:全頻段GNSS接收機將為UAV引入更多頻段和更強的防護能力，可以防止有意和無意的射頻干擾。其一體化模塊中集成全球有效的校正服務，將從根本上簡化解決方案的設計、生產、認證和全球產品推廣。
主要優(yōu)勢：
利用所有可用GNSS信號，實現出色的可用性
提高解決方案的穩(wěn)健性，加快收斂速度
全球有效的校正服務，適用于高精度定位
由于獨立于易受攻擊、基于IP的校正，抗風險能力更高
適用于全球的解決方案，可簡化生產制造流程
簡單、經濟的定位解決方案，封裝在一件設備之中
重型機械和精準農業(yè)
多頻段GNSS解決方案:建筑和采礦機械的PNT解決方案以及精準農用車輛依賴于多頻段高精度GNSS接收機和基于IP的GNSS校正數據。這類接收機和數據通常用于蜂窩通信數據接收不穩(wěn)定的偏遠地區(qū)。在這類地區(qū)，為了實現應用所需的厘米級精度，可能需要通過UHF從附近的基站傳輸在本地生成的GNSS參考數據。
全頻段GNSS解決方案:除了在重型機械和精準農業(yè)應用場景中簡化定位解決方案的設計之外，全頻段GNSS解決方案還能讓用戶隨時訪問新的GNSS信號和服務。其中包括通過衛(wèi)星傳輸的GNSS校正數據，例如Galileo衛(wèi)星通過L6/E6頻段傳送的Galileo高精度服務(HAS)。
主要優(yōu)勢：
利用所有可用GNSS信號，實現出色的可用性
提高解決方案的穩(wěn)健性，加快收斂速度
輕松獲取商用和新出現的免費校正服務，包括HAS
利用所有可用GNSS信號提高安全性
簡單、經濟的定位解決方案，封裝在一件設備之中
汽車定位系統
多頻段GNSS解決方案:汽車導航系統中使用的GPS/GNSS解決方案通常包含多個硬件組件，以及與地理位置相關的GNSS校正服務訂閱。常見挑戰(zhàn)包括：偏遠地區(qū)的蜂窩通信網絡覆蓋不可靠，服務可用性差;在進入新地域的市場時，需要管理校正數據訂閱;對安全性的期望值過高;以及對大眾市場采用構成阻礙的成本問題。
全頻段GNSS解決方案:全頻段GNSS將定位解決方案的所有組件封裝到一個設備之中，簡化了解決方案的設計。利用所有可用衛(wèi)星信號，包括衛(wèi)星通播校正數據在內，從而為提供全球高精度GNSS性能的GNSS校正服務鋪平了道路。提供更出色的冗余以及對加密GNSS信號的訪問能力，能夠提供高水準的防干擾和防欺騙保護。
主要優(yōu)勢：
全球有效的校正服務，適用于高精度GNSS
提高解決方案的穩(wěn)健性，加快收斂速度
適用于全球的解決方案，可簡化生產制造流程
卓越的衛(wèi)星通播擴展能力，適用于大規(guī)模應用
利用所有可用GNSS信號提高安全性
簡單、經濟的定位解決方案，封裝在一件設備之中
網絡基礎設施與時間同步
多頻段GNSS解決方案:當今的多頻段GNSS授時接收機可在典型宏蜂窩小區(qū)通信環(huán)境中提供5納秒以內的時間同步。但由于網絡密度不斷提高，5G網絡對街道級安裝的依賴程度日漸提高，這給GNSS信號接收帶來了新的挑戰(zhàn)。
全頻段GNSS解決方案:現代全頻段GNSS授時接收機能夠利用更多可用信號并提高授時精度，從而應對基站挑戰(zhàn)。這能提供必要的性能余量，即使現場地點更有挑戰(zhàn)性，也能實現可靠的網絡同步。這與最新安全功能相結合，成就了關鍵基礎設施應用的理想之選。
主要優(yōu)勢：
適用于全球的解決方案，可簡化生產制造流程
利用所有可用GNSS信號提高安全性
簡單的定位解決方案，封裝在一件設備之中
了解當今PNT解決方案的GNSS頻段
L1頻段1559-1610 MHz
GNSS L1頻段通常以1575.42 MHz為中心，包含來自全球所有GNSS星座的信號，頻率范圍為1559 MHz到1591 MHz(包括頻率高達1610 MHz的GLONASS)。自GPS問世至今，GPS L1 C/A信號一直是民用GNSS導航和授時應用的主要信號。
如今，全部主流全球GNSS系統(包括GPS、Galileo、北斗和GLONASS)都在L1頻段通播導航信號，星基增強系統 (SBAS) 與區(qū)域系統也利用該頻段來提高精度和完整性。
隨著GNSS系統引入新的現代化信號，例如GPS L1C信號，L1頻段也在不斷發(fā)展變化。目前，有六顆衛(wèi)星通播L1C信號，預計到本十年末，至少將有24顆衛(wèi)星全面投入使用，是信號設計領域的一次重大飛躍。
L2頻段1215-1252 MHz
L2頻段以1227.60 MHz為中心，主要供GPS系統使用，但也能接收來自其他GNSS系統(包括GLONASS和 QZSS)的信號。GPS L2信號通過雙頻運行提高了GNSS應用的精度，從而實現了更精確的電離層誤差校正，并且增強了信號穿透云層、樹木和城市障礙物的能力。
自問世至今，GPS系統始終在此頻段中通播軍用L2 P(Y) 代碼。先進的民用接收機采用無碼追蹤方法，利用了這種軍用信號。在現代化改造計劃中，美國太空部隊引入了第二種民用GPS信號，稱為L2C信號，用于滿足商業(yè)需求，淘汰了利用軍用信號的無代碼追蹤方法。
GLONASS在L2頻段上使用略高的頻率發(fā)射信號，因此有必要擴大頻率范圍。QZSS系統可增強日本及亞洲-大洋洲地區(qū)的GNSS性能，同樣在L2頻段通播其L2C信號。
這些系統共同使L2頻段成為先進GNSS應用的關鍵組成部分。隨著L2C信號的逐步推出，在未來數年間，GPS的現代化進程有望帶來更出色的功能和穩(wěn)健性。
L5頻段1164-1210MHz
GNSS L5頻段以1176.45 MHz為中心，是當前使用的最先進、最強大的頻段之一。該頻段及其信號已迅速得到GNSS用戶的采用，包括需要適度提高精度和可用性的消費類電子產品，以及低功率GNSS接收機。
L5頻段專門面向高度注重高精度和高可靠性、關乎生命安全的應用，例如航空應用。該頻段包含多個GNSS系統的信號，包括GPS、Galileo、北斗以及地區(qū)QZSS和NAVIC系統。
GPS L5信號是GPS現代化工作的一部分，旨在提供卓越的精度和信號完整性，尤其是在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中。該信號與Galileo E5a和E5b信號以及北斗B2a和B2b信號一同工作，加強了此頻率范圍內的GNSS基礎設施。此外，支持相應亞洲-大洋洲地區(qū)GNSS性能的QZSS和NAVIC也在該頻段內發(fā)射L5信號。
L5頻段的推出標志著GNSS技術向前邁出了重要一步，為要求最高精度和可靠性的關鍵應用提供了更強大的功能。目前，各類GNSS系統正在部署L5信號，目標是在未來數年間全面覆蓋全球。
L6/E6頻段1260-1300 MHz
最新增加的頻段是以1278.75MHz為中心的L6頻段。L6頻段因在高級GNSS應用中的作用逐漸受到認可，特別是那些需要高精度和專門服務的應用，該頻段包含多GNSS系統的信號，包括Galileo、北斗和QZSS。
Galileo E6信號位于該頻段內，用于實現系統的高精度服務 (HAS) 及新興加密服務。北斗B3I信號可提供額外的精度和冗余度，從而加強更廣泛的GNSS生態(tài)系統。
在亞洲-大洋洲地區(qū)，L6頻段的L6E信號可提供增強服務，包括厘米級精度服務 (CLAS)、日本本土的地區(qū)PPP-RTK服務，以及多GNSS高級軌道和時鐘增強服務(MADOCA)，這是一項地區(qū)精密單點定位 (PPP) 服務，目前覆蓋亞太地區(qū)，但有可能擴展為全球PPP服務。
對于需要更高的精度和完整性等先進功能的高端GNSS應用，L6頻段已迅速成為一個重要頻段。隨著這些系統的不斷發(fā)展進步，L6頻段將在高級導航應用中發(fā)揮越來越重要的作用，特別是在授時和高精度領域，并有望在汽車應用中得到采用。
L-band1520-1559 MHz
L-band提供全球無縫通信能力，用于在工業(yè)自動化應用、精準農業(yè)和海事應用中為GNSS接收機傳輸高精度服務。該頻段支持以安全為重點的關鍵應用，提供專門的增強服務，如差分改正和完整性信息。
因此，L-band是未來GNSS創(chuàng)新的基礎頻譜，可為自動駕駛等先進技術實現可擴展性和更高的精度。
全頻段GNSS提高多項主要商業(yè)指標性能
由于各種技術的發(fā)展，能同時跟蹤所有可用GNSS信號的衛(wèi)星定位接收機必將讓大眾市場應用受益。這些結構小巧、易于集成的全頻段GNSS模塊利用軌道衛(wèi)星通播的全頻率數據，能實現與當今優(yōu)質定位和授時解決方案相媲美的精密度和準確度。
與此同時，此類模塊還能簡化生產制造流程、大幅降低總擁有成本并為現場切實增加價值，從而提高了關鍵商業(yè)指標的性能。
簡化生產：這種設置可在一個內置L-band接收機的設備內容納所有定位功能，因此可以充分利用衛(wèi)星或地面試驗網絡基礎設施通播的GNSS校正服務，簡化高性能定位功能的使用。
使用新服務：隨著GNSS生態(tài)系統的不斷發(fā)展進步，以及新信號和服務的問世，追蹤所有相關頻段信號的能力可確保設備通過固件更新利用最新服務(如Galileo高精度服務 (HAS) 和日本的CLAS)，從而確保設備適應未來需求。
簡化生產制造流程：單個設備即可在多個處于不同地理位置的市場中提供服務——無論是借助衛(wèi)星星座覆蓋，還是全球GNSS校正服務訂閱，從而助力全球部署
更廣闊高精度定位地理覆蓋范圍：利用所有可用的衛(wèi)星信號，這能在不影響精度的前提下消除局部大氣校正。這為覆蓋全球的高精度定位解決方案鋪平了道路，也擴大了市場的地理覆蓋范圍，提高了服務可用性，特別是在現有技術過去未能充分覆蓋的地區(qū)。
增強的可用性：全頻段接收機的準確度與精確度仍與多頻段接收機不相上下，但前者提高了PNT服務的可用性。這類接收機能跟蹤更多頻段，相當于跟蹤更多信號，因此即使在具有挑戰(zhàn)性的信號環(huán)境中也能提供出色的精度。額外的冗余功能可進一步防止信號中斷和停機。
更高的安全性和完整性：在所有頻段上追蹤所有GNSS星座的信號可提供冗余，借此可提高PNT服務的安全性和完整性。結合Galileo OSNMA等注重安全性的現代服務，全頻段接收機能夠充分保護用戶，避免各種干擾和欺騙威脅。
更低的總擁有成本：實施適用于全球的高精度PNT解決方案所需的元器件更少，帶來總擁有成本的顯著降低。
如何以經濟高效方式利用GNSS信號潛力?
正如前言中所強調的一樣，迄今為止，只有能夠承受高昂擁有成本的高價值商業(yè)應用才能享受全頻段GNSS接收機的性能優(yōu)勢。如今，中低價值應用對于性能的期望不斷提高，而高價值應用則面臨著日漸沉重的成本壓力，這一切促使市場對更具成本效益的全頻段GNSS解決方案的呼聲越來越強烈。
功能強大、結構緊湊的新一代全頻段GNSS接收機即將問世，其定價合理，足以保證所有高性能GNSS應用均能享受到其優(yōu)勢。關鍵推動因素包括接收機芯片的不斷微型化，以及L-band接收機集成于GNSS模塊之中。
與此同時，GNSS天線制造商正在推出已調整到可以接收所有相關GNSS頻段信號的產品，包括通過衛(wèi)星和地面蜂窩通信數據網絡通播的GNSS校正數據頻段。
攜手u-blox提升PNT性能
超過25年來，u-blox堅持銳意創(chuàng)新，將市場領先的性能與最新功能相結合，以頗具競爭優(yōu)勢的價格推動了GNSS技術的應用。
2018年，u-blox憑借u-blox F9多頻段GNSS平臺(包括ANN-MB和ANN-MB1天線解決方案)成為這項技術的領先供應商，為大眾市場的高精度定位樹立了標桿。
如今，u-blox憑借融合顛覆性創(chuàng)新的u-blox X20全頻段高精度定位平臺和ANN-MB2全頻段天線，再次重新定義了業(yè)界對高性能定位解決方案的期望。
u-blox在一個設備中捆綁了L1、L2、L5、L6/E6和L-band GNSS信號接收，以及全球領先的RTK、PPP- RTK和PPP支持，可在全球范圍內實現厘米級精度，為全球所有用戶帶來經濟實惠、易于集成的定位、導航和授時技術。
此外，利用所有可用的GNSS信號，包括Galileo OSNMA等全新報文認證服務，即可提升檢測和抵御干擾和欺騙的能力，從而增強任務關鍵型應用的安全性。
ublox 簡介
瑞士u-blox 公司(SIX:UBXN)專注于為客戶提供豐富的芯片和模塊產品以及全面的物聯網服務，賦能客戶以實現精準定位與萬物互聯。我們憑借業(yè)界領先的解決方案持續(xù)推動未來汽車與物聯網行業(yè)的創(chuàng)新升級。u-blox公司總部設于瑞士蘇黎世塔爾維爾，目前全球員工約 1,400 名，可為客戶量身打造出兼具精準、智能和可持續(xù)性的解決方案。
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