GPS定位更精準(zhǔn)：追蹤所有四個(gè)全球GNSS星系效益

追蹤第四個(gè)星系可提高在高樓林立都會(huì)環(huán)境中的定位效能─而且也同時(shí)提高定位技術(shù)對(duì)干擾的整體承受力。
早在2015年，u-blox M8 GNSS接收器平臺(tái)在提高定位效能方面，就取得了重大進(jìn)展，能夠同時(shí)追蹤兩個(gè)，以及在后來(lái)增加到三個(gè)GNSS星系。藉由在任何特定時(shí)間，使視線內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量大約增加三倍，可帶來(lái)顯著的定位效益：不僅可使用較大星系組合中的最佳訊號(hào)以更準(zhǔn)確地計(jì)算位置，還能大幅縮短首次定位時(shí)間，尤其是在嚴(yán)苛的都會(huì)環(huán)境中。
之后是u-blox M9和u-blox M10的推出，進(jìn)一步把任何特定時(shí)間可以追蹤的GNSS星系數(shù)量增加到四個(gè)。尤其是，u-blox M10不僅可追蹤四個(gè)星系，而且功耗水平比前幾代產(chǎn)品改善了五倍，并將芯片尺寸縮小了35％，已為超低功耗高效能的定位應(yīng)用樹立了新的標(biāo)竿。然而，使用者不免懷疑，多追蹤一個(gè)GNSS星系，到底能提升多少定位效能？

因此，2020年時(shí)，把新一代u-blox M9 GNSS接收器帶到美國(guó)和亞洲不同地點(diǎn)的道路上進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，驗(yàn)證追蹤四個(gè)星系可為定位應(yīng)用帶來(lái)的效益。以下將說(shuō)明，追蹤四個(gè)星系與僅追蹤三個(gè)星系的定位效能比較。

在嚴(yán)苛環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試

 
圖一 : 在高樓林立的稠密都會(huì)區(qū)進(jìn)行GNSS測(cè)試，直接比較接收不同星系數(shù)量的定位效能。

如圖片所示，我們的測(cè)試并不是選在易于接收訊號(hào)的空曠環(huán)境中進(jìn)行。我們希望能在常見(jiàn)的嚴(yán)苛環(huán)境中─亦即高樓林立的稠密都會(huì)區(qū)，直接比較接收不同星系數(shù)量的定位效能。
由于摩天大樓遮蔽了部分天空，因此限制了GNSS接收器視線內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量，使GNSS接收器很難在都會(huì)區(qū)中把軌道衛(wèi)星發(fā)出的訊號(hào)鎖定夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便能持續(xù)進(jìn)行定位。而根據(jù)理論，透過(guò)增加可用的衛(wèi)星數(shù)量，多一個(gè)星系，應(yīng)可帶來(lái)顯著的差異。

衛(wèi)星可用性的微幅改善
 

圖二 : 三個(gè)與四個(gè)星系測(cè)量結(jié)果

我們的測(cè)量結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。盡管記錄的位置定位率提升并不顯著─利用三個(gè)星系，已可實(shí)現(xiàn)99％左右的定位率。在新加坡的測(cè)試中，將星系數(shù)量調(diào)整到四個(gè)，以接收器追蹤了28顆衛(wèi)星，達(dá)到99.5％的定位率，而星系數(shù)量為三個(gè)時(shí)，追蹤的衛(wèi)星數(shù)量為27（另一組為25），定位率為99%（另一組為99.5％）。芝加哥的測(cè)試結(jié)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(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量微幅增加
下列兩張圖表顯示，我們的測(cè)試接收器在每個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)中追蹤的GNSS衛(wèi)星數(shù)量，以及它們接收到的星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite-based Augmentation System；SBAS）訊號(hào)數(shù)量。
在第一張圖中，把可同時(shí)追蹤的星系數(shù)量限制為三個(gè)，并透過(guò)韌體把被追蹤衛(wèi)星的最大總數(shù)限制為30個(gè)。在第二張圖中，讓接收器追蹤四個(gè)星系，除了同樣有最大衛(wèi)星數(shù)量限制之外，但還多了一個(gè)限制：每個(gè)星系被追蹤的衛(wèi)星數(shù)量限制為八個(gè)。
由于軌道上有大量的衛(wèi)星，兩個(gè)接收器可同時(shí)追蹤到的衛(wèi)星數(shù)量，一直都接近最大值。然而，這兩者之間有一個(gè)非常重要的差別：當(dāng)追蹤三個(gè)星系時(shí)，接收器必須湊合著利用碰巧在視線范圍內(nèi)的任何衛(wèi)星訊號(hào)。而當(dāng)追蹤四個(gè)星系時(shí)，接收器韌體可以很輕易地選擇到能提供最多訊號(hào)訊息的衛(wèi)星組合。
 
圖三 : 追蹤三個(gè)GNSS星系時(shí)，每個(gè)系統(tǒng)在新加坡追蹤的太空載具（space vehicles；SV）數(shù)量。
 
圖四 : 追蹤四個(gè)GNSS星系時(shí)，每個(gè)系統(tǒng)在新加坡追蹤的太空載具（SV）數(shù)量。

因此，追蹤四個(gè)GNSS星系的效益包括：

一、衛(wèi)星訊號(hào)的多樣性更高，
二、更好的訊號(hào)質(zhì)量。

以下將說(shuō)明這些效益可直接帶來(lái)的位置與速度準(zhǔn)確度的提升。

提升位置和速度準(zhǔn)確度
回到實(shí)驗(yàn)室后，我們分析了相同的道路測(cè)試數(shù)據(jù)，以比較追蹤三個(gè)GNSS星系和四個(gè)GNSS星系時(shí)，所得到的位置和速度準(zhǔn)確度之差異。

圖五 : 城市環(huán)境準(zhǔn)確度量測(cè)

以上的數(shù)字可以說(shuō)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(huì)隨著增加測(cè)量百分比而提升。值得注意的是，增加一個(gè)星系會(huì)大幅降低異常值的大小─針對(duì)2D定位，減少了三倍以上；針對(duì)2D速度，大約減少了二倍。

另一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是，所有受定位跳變（position jumps）（異常值）困擾的應(yīng)用，都能藉由接收4個(gè)GNSS星系訊號(hào)而提升效能。

追蹤更多衛(wèi)星星系的整體效益
如同上述所發(fā)現(xiàn)的，追蹤四個(gè)GNSS星系只會(huì)使GNSS接收器的定位時(shí)間微幅增加。對(duì)于任何使用GNSS接收器的人來(lái)說(shuō)，這意味著，不管是追蹤三個(gè)星系還是四個(gè)星系，他們的GNSS接收器都能提供定位和速度估算。但是，由于GNSS接收器可以從各種的衛(wèi)星和星系中挑選最佳的GNSS訊號(hào)，因此它可提供更準(zhǔn)確的定位和速度估算。
這里所討論的定量結(jié)果其實(shí)還蘊(yùn)含了其他的效益。如文章一開始所提到的，追蹤三個(gè)GNSS星系可使整體定位解決方案更加強(qiáng)固穩(wěn)定，以因應(yīng)惡意RF干擾、意外的GNSS服務(wù)中斷（例如2019年7月伽利略定位系統(tǒng)曾中斷服務(wù)一星期）、或是在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期被故意中止服務(wù)等各種情況。而追蹤第四個(gè)星系，更能進(jìn)一步強(qiáng)化這些優(yōu)勢(shì)。

（本文作者Bernd Heidtmann為u-blox標(biāo)準(zhǔn)精準(zhǔn)度GNSS產(chǎn)品策略經(jīng)理）