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GPS雙頻定位技術

點擊率:0    更新時間:2018-06-06 16:52:06

1.GPS民用信號開放史

  1994 年,GPS 全面進入正常運行,民用信號采用 L1(頻率 1575.42 MHz)單頻 C/A 碼,并附加選擇可用性(SA)人為干擾,位置精度約為 100m,授時精度約為 340ns。

  2000 年 5 月 1 日,美國政府宣布撤銷對 GPS 的 SA 干擾技術,民用信號定位 服務精度提高到 20m,授時精度提高到 40ns。

  近年來,為了進一步加強 GPS 在全球民用導航市場的競爭力,美國政府決定 對 GPS 民用信號作出重大調整,引入三種新的民用信號 L2C 和 、L1C、 L5。其中 L2C 是最早投入使用的,2005 年 9 月發射的 Block IIR—M 2012 號衛星最先開始播發;L5 在 2007 年發射的 Block IIF 才開始使用;L1C 則更晚,它是 GPS III 代改進的 內容,將最終取代現有的 L1 C/A 信號。

  第一代民用信號利用 Block II/IIA/tIR 衛星發射,是在 L1 載波上發射的單頻 C/A 碼。L1波段范圍為1575.42MHz±1.023MHz。

  第二代民用信號利用 Block IIR~M 衛星發射,它不僅包含了第一代民用信號,而且還在 L2 載波上增加了 L2C 信號。L2波段范圍為1227.60MHz±1.023MHz,早期為軍事專用。

  第三代民用信號利用 Block IIF 衛星發射, 它在第二代民用信號的基礎上, 增加了 L5 載波,用于發射 L5 民用信號。 L5波段范圍為1176.45MHz±1.023MHz。

  第四代民用信號利用 Block III 衛星發射,它是在第三代民用信號的基礎上,對 L1 載波中的民用信號進行了改進,用新的 L1C 代替了 L1 上原有的民用信號。

 

  2.什么是GPS雙頻定位

  如前面所述,GPS信號工作頻率分為了L1、L2、L5等幾個波段:

  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,是單頻定位方式;目前已有GPS芯片同時使用L1+L5波段進行定位,稱之為多頻定位技術,比如博通的BCM47755芯片就宣稱支持L1和L5多頻定位:

 

  注意,還有個(GNSS)雙星定位的概念,與GPS雙頻定位完全不是一會回事,我們以往再講。

  3.GPS雙頻定位對精度的提升

  高碼率可以有效提高精度

  L1 的碼率低,每一個碼占用的時間大約是十的負六次方秒。當然這些信號都是光速傳播的,也就是三乘十的八次方,那么時間乘以速度光速大概是接近300米。L5 的碼率是L1 的十倍,每個碼占用的時間周期比L1 少10倍,變成了十的負七次方。再乘以光速就是大概30米。當然這是一顆衛星的分辨率,如果多顆衛星同時用,很多衛星的照射范圍取交集,那么L1 的精度是會遠遠小于300米的。而L5 更準一些。

  城市中有很多高樓大廈,衛星信號經過這些建筑物的反射之后變得非常雜亂,與正確的直射信號交織在一起,我們叫做多徑(很多條路徑)。這些信號是光速傳播的,即使一個小小的反射導致的一個小小的信號延遲,和光速做乘法后得到的距離也是很大的。而這些都是誤差來源。

  L5 信號碼率高,頻譜密度更容易集中。雖然L5 也會反射,不過反射之后的錯誤信號和正確的直射信號疊加形成新的頻譜密度高峰的概率會比較低,這樣也使得計算引擎更容易找到直射衛星信號。

  L5 高碼率這么好用,為什么不直接用L5呢?這是因為L1 的低碼率更容易被捕獲,我們要精度的同時也不能犧牲定位時間。所以L1 也叫做粗略捕獲碼,待捕獲到信號之后,L5 就可以一起參與計算了。

  兩個頻率可以消除電離層誤差

  如果只有L1 信號,那手機接收到之后就當L1 是直射過來的了。而實際上L1 可能已經在大氣層發生了折射,而折射會導致一定的延時,大氣層的這點延遲會導致很大的誤差,很多科學家認定大氣層誤差占到所有誤差的60% 權重。

  不同頻率的信號通過相同介質的折射率不同。L5 天生和L1 不同頻率。衛星同時發射了兩個頻率的信號,而手機接收到的時間卻不一樣,這樣就給了手機一個推算大氣層誤差的機會,進而去消除。

  GPS雙頻只能對消電離層誤差,多徑誤差無法消除(雖然L5信號的多徑有改善),NLOS(非直達信號)無法消除。然而后兩者才是城市環境中手機定位中的最主要誤差來源。

 

  4.總結

  GPS雙頻定位是指同時使用GPS的L1波段和L5波段進行定位的技術。

  GPS雙頻定位只能消除電離層誤差,無法消除多徑誤等誤差,因此在空曠環境下可以提高定位精度,在城市建筑密集區定位精度提升預計不明顯。

  雙頻GPS 預計會是未來的發展趨勢,可以有效改善定位精度(預計可達3-5米),但還不是革命性的改變。

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