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GPS定位更精準:追蹤所有四個全球GNSS星系效益
 

【作者: Bernd Heidtmann】   2021年05月05日 星期三

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追蹤第四個星系可提高在高樓林立都會環境中的定位效能─而且也同時提高定位技術對干擾的整體承受力。


早在2015年,u-blox M8 GNSS接收器平台在提高定位效能方面,就取得了重大進展,能夠同時追蹤兩個,以及在後來增加到三個GNSS星系。藉由在任何特定時間,使視線內的衛星數量大約增加三倍,可帶來顯著的定位效益:不僅可使用較大星系組合中的最佳訊號以更準確地計算位置,還能大幅縮短首次定位時間,尤其是在嚴苛的都會環境中。


之後是u-blox M9和u-blox M10的推出,進一步把任何特定時間可以追蹤的GNSS星系數量增加到四個。尤其是,u-blox M10不僅可追蹤四個星系,而且功耗水準比前幾代產品改善了五倍,並將晶片尺寸縮小了35%,已為超低功耗高效能的定位應用樹立了新的標竿。然而,使用者不免懷疑,多追蹤一個GNSS星系,到底能提升多少定位效能?


因此,2020年時,把新一代u-blox M9 GNSS接收器帶到美國和亞洲不同地點的道路上進行實地測試,驗證追蹤四個星系可為定位應用帶來的效益。以下將說明,追蹤四個星系與僅追蹤三個星系的定位效能比較。


在嚴苛環境中進行測試


圖一 : 在高樓林立的稠密都會區進行GNSS測試,直接比較接收不同星系數量的定位效能。
圖一 : 在高樓林立的稠密都會區進行GNSS測試,直接比較接收不同星系數量的定位效能。

如圖片所示,我們的測試並不是選在易於接收訊號的空曠環境中進行。我們希望能在常見的嚴苛環境中─亦即高樓林立的稠密都會區,直接比較接收不同星系數量的定位效能。


由於摩天大樓遮蔽了部分天空,因此限制了GNSS接收器視線內的衛星數量,使GNSS接收器很難在都會區中把軌道衛星發出的訊號鎖定夠長的時間,以便能持續進行定位。而根據理論,透過增加可用的衛星數量,多一個星系,應可帶來顯著的差異。


衛星可用性的微幅改善

圖二 : 三個與四個星系測量結果
圖二 : 三個與四個星系測量結果

我們的測量結果也證明了這一點。儘管記錄的位置定位率提升並不顯著─利用三個星系,已可實現99%左右的定位率。在新加坡的測試中,將星系數量調整到四個,以接收器追蹤了28顆衛星,達到99.5%的定位率,而星系數量為三個時,追蹤的衛星數量為27(另一組為25),定位率為99%(另一組為99.5%)。芝加哥的測試結果較不明顯,定位率僅略好一些,分別為99.2%和98.7%(另一組為99.3%)。


可見衛星數量微幅增加

下列兩張圖表顯示,我們的測試接收器在每個衛星系統中追蹤的GNSS衛星數量,以及它們接收到的星基增強系統(Satellite-based Augmentation System;SBAS)訊號數量。


在第一張圖中,把可同時追蹤的星系數量限制為三個,並透過韌體把被追蹤衛星的最大總數限制為30個。在第二張圖中,讓接收器追蹤四個星系,除了同樣有最大衛星數量限制之外,但還多了一個限制:每個星系被追蹤的衛星數量限制為八個。


由於軌道上有大量的衛星,兩個接收器可同時追蹤到的衛星數量,一直都接近最大值。然而,這兩者之間有一個非常重要的差別:當追蹤三個星系時,接收器必須湊合著利用碰巧在視線範圍內的任何衛星訊號。而當追蹤四個星系時,接收器韌體可以很輕易地選擇到能提供最多訊號訊息的衛星組合。



圖三 : 追蹤三個GNSS星系時,每個系統在新加坡追蹤的太空載具(space vehicles;SV)數量。
圖三 : 追蹤三個GNSS星系時,每個系統在新加坡追蹤的太空載具(space vehicles;SV)數量。

圖四 : 追蹤四個GNSS星系時,每個系統在新加坡追蹤的太空載具(SV)數量。
圖四 : 追蹤四個GNSS星系時,每個系統在新加坡追蹤的太空載具(SV)數量。

因此,追蹤四個GNSS星系的效益包括:


一、衛星訊號的多樣性更高,


二、更好的訊號品質。


以下將說明這些效益可直接帶來的位置與速度準確度的提升。


提升位置和速度準確度

回到實驗室後,我們分析了相同的道路測試數據,以比較追蹤三個GNSS星系和四個GNSS星系時,所得到的位置和速度準確度之差異。



圖五 :  城市環境準確度量測
圖五 : 城市環境準確度量測

以上的數字可以說明一切。在這兩種情況下,我們都觀察到50%的定位和速度誤差(CEP50)的改善,而且改善程度會隨著增加測量百分比而提升。值得注意的是,增加一個星系會大幅降低異常值的大小─針對2D定位,減少了三倍以上;針對2D速度,大約減少了二倍。


另一個重要的發現是,所有受定位跳變(position jumps)(異常值)困擾的應用,都能藉由接收4個GNSS星系訊號而提升效能。


追蹤更多衛星星系的整體效益

如同上述所發現的,追蹤四個GNSS星系只會使GNSS接收器的定位時間微幅增加。對於任何使用GNSS接收器的人來說,這意味著,不管是追蹤三個星系還是四個星系,他們的GNSS接收器都能提供定位和速度估算。但是,由於GNSS接收器可以從各種的衛星和星系中挑選最佳的GNSS訊號,因此它可提供更準確的定位和速度估算。


這裡所討論的定量結果其實還蘊含了其他的效益。如文章一開始所提到的,追蹤三個GNSS星系可使整體定位解決方案更加強固穩定,以因應惡意RF干擾、意外的GNSS服務中斷(例如2019年7月伽利略定位系統曾中斷服務一星期)、或是在戰爭時期被故意中止服務等各種情況。而追蹤第四個星系,更能進一步強化這些優勢。


(本文作者Bernd Heidtmann為u-blox標準精準度GNSS產品策略經理)


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