什么是GPS双频定位技术?

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1.GPS民用信号开放史

1994 年,GPS 全面进入正常运行,民用信号采用 L1(频率 1575.42 MHz)单频 C/A 码,并附加选择可用性(SA)人为干扰,位置精度约为 100m,授时精度约为 340ns。

2000 年 5 月 1 日,美国政府宣布撤销对 GPS 的 SA 干扰技术,民用信号定位 服务精度提高到 20m,授时精度提高到 40ns。

近年来,为了进一步加强 GPS 在全球民用导航市场的竞争力,美国政府决定 对 GPS 民用信号作出重大调整,引入三种新的民用信号 L2C 和 、L1C、 L5。其中 L2C 是最早投入使用的,2005 年 9 月发射的 Block IIR—M 2012 号卫星最先开始播发;L5 在 2007 年发射的 Block IIF 才开始使用;L1C 则更晚,它是 GPS III 代改进的 内容,将最终取代现有的 L1 C/A 信号。

第一代民用信号利用 Block II/IIA/tIR 卫星发射,是在 L1 载波上发射的单频 C/A 码。L1波段范围为1575.42MHz±1.023MHz。

第二代民用信号利用 Block IIR~M 卫星发射,它不仅包含了第一代民用信号,而且还在 L2 载波上增加了 L2C 信号。L2波段范围为1227.60MHz±1.023MHz,早期为军事专用。

第三代民用信号利用 Block IIF 卫星发射, 它在第二代民用信号的基础上, 增加了 L5 载波,用于发射 L5 民用信号。 L5波段范围为1176.45MHz±1.023MHz。

第四代民用信号利用 Block III 卫星发射,它是在第三代民用信号的基础上,对 L1 载波中的民用信号进行了改进,用新的 L1C 代替了 L1 上原有的民用信号。

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2.什么是GPS双频定位

如前面所述,GPS信号工作频率分为了L1、L2、L5等几个波段:

L1波段:1575.42MHz±1.023MHz

L2波段:1227.60MHz±1.023MHz

L5波段:1176.45MHz±1.023MHz

以往的GPS定位均采用L1波段,是单频定位方式;目前已有GPS芯片同时使用L1+L5波段进行定位,称之为多频定位技术,比如博通的BCM47755芯片就宣称支持L1和L5多频定位:

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注意,还有个(GNSS)双星定位的概念,与GPS双频定位完全不是一会回事,我们以往再讲。

3.GPS双频定位对精度的提升

高码率可以有效提高精度

L1 的码率低,每一个码占用的时间大约是十的负六次方秒。当然这些信号都是光速传播的,也就是三乘十的八次方,那么时间乘以速度光速大概是接近300米。L5 的码率是L1 的十倍,每个码占用的时间周期比L1 少10倍,变成了十的负七次方。再乘以光速就是大概30米。当然这是一颗卫星的分辨率,如果多颗卫星同时用,很多卫星的照射范围取交集,那么L1 的精度是会远远小于300米的。而L5 更准一些。

城市中有很多高楼大厦,卫星信号经过这些建筑物的反射之后变得非常杂乱,与正确的直射信号交织在一起,我们叫做多径(很多条路径)。这些信号是光速传播的,即使一个小小的反射导致的一个小小的信号延迟,和光速做乘法后得到的距离也是很大的。而这些都是误差来源。

L5 信号码率高,频谱密度更容易集中。虽然L5 也会反射,不过反射之后的错误信号和正确的直射信号叠加形成新的频谱密度高峰的概率会比较低,这样也使得计算引擎更容易找到直射卫星信号。

L5 高码率这么好用,为什么不直接用L5呢?这是因为L1 的低码率更容易被捕获,我们要精度的同时也不能牺牲定位时间。所以L1 也叫做粗略捕获码,待捕获到信号之后,L5 就可以一起参与计算了。

两个频率可以消除电离层误差

如果只有L1 信号,那手机接收到之后就当L1 是直射过来的了。而实际上L1 可能已经在大气层发生了折射,而折射会导致一定的延时,大气层的这点延迟会导致很大的误差,很多科学家认定大气层误差占到所有误差的60% 权重。

不同频率的信号通过相同介质的折射率不同。L5 天生和L1 不同频率。卫星同时发射了两个频率的信号,而手机接收到的时间却不一样,这样就给了手机一个推算大气层误差的机会,进而去消除。

GPS双频只能对消电离层误差,多径误差无法消除(虽然L5信号的多径有改善),NLOS(非直达信号)无法消除。然而后两者才是城市环境中手机定位中的最主要误差来源。

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4.总结

GPS双频定位是指同时使用GPS的L1波段和L5波段进行定位的技术。

GPS双频定位只能消除电离层误差,无法消除多径误等误差,因此在空旷环境下可以提高定位精度,在城市建筑密集区定位精度提升预计不明显。

双频GPS 预计会是未来的发展趋势,可以有效改善定位精度(预计可达3-5米),但还不是革命性的改变。

 

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