现代 GNSS/GPS 信号：从单频段到双频段

  【天极网IT新闻频道】从 L1 信号迁移到 L1/L5 或 L1/L2 信号：背景、应用场景、利弊

  作者：Bernd Heidtmann，标准精度GNSS产品战略部产品经理

  中国上海 - 2024 年 9 月 23 日 - 卫星导航依靠接收自卫星的信号，而这又要借助频率范围通常为1-2 GHz的L-band内的GNSS信号通播。L-band包括两个主要部分：低频段(1164MHz到1300MHz)和高频段(1559MHz到1610MHz)。大多数卫星星座都使用这两部分频段传输数据。

  自卫星定位技术可供公众使用以来，L-band中频率相对较高的L1频段一直为大多数设备所依赖。但这一格局正在快速发展变化。GNSS接收机技术取得长足进步，促使多频段接收机在越来越多的应用中变得更有吸引力、更具可行性。

  或许有人认为，多频段能更好地满足设备需求，但事实并非总是如此。单频段与双频段GNSS接收机的取舍要取决于定位应用的具体目的。

  本白皮书旨在提供有关定位技术的综合指南。为此，本文比较了单频段与双频段GNSS接收机的差异，并详细分析了特定应用场景下的*佳频段组合。这能帮助读者透彻地了解相关技术，从而根据自己的GNSS应用做出更明智的频段选择。

  引言

  通信和定位技术的世界浩瀚无垠。在这个领域，根据适用于室内还是室外环境，每一种技术都有特定的应用场景。在户外场景中，环境的拥塞程度非常重要，您需要考虑设备的工作环境是空旷的田野，还是繁忙拥挤的城市中心。上图为您展示了不同定位技术选项的精度及其工作环境。

  图 1. 定位技术及其适用环境的对比

  根据这份表格，GNSS定位技术是在户外精准追踪人员、资产或车辆的少数几种方案之一。从精度来看，GNSS优于其他替代方案。GNSS的另外一个显著特点就是全球可用性。用户可通过GNSS访问多个卫星星座，使用GNSS接收机可实现接近100%的追踪可用性。此外，GNSS基础设施(包括卫星、地面控制站和地面监测站)均为免费提供，具有其他技术所不具备的特别优势。

  GNSS技术依赖于对GNSS卫星发射的无线电波传播时间的精确测量。这些测量的精度取决于发射机和接收机的特性以及信号的传输路径。

  在这个方面，大气层本身也会带来误差。电离层和对流层的变化等因素会导致误差，也需要加以修正。

  图 2. GNSS误差来源

  环境因素也会造成误差。在城市地区，由于建筑物、隧道或树木等多重障碍，卫星信号的传输存在重重挑战。在传输信号经过多条路径到达接收机时，就会产生多径干扰。从太空到接收机的卫星信号经过环境的反射、衍射或散射，导致同一信号在不同时间、不同相位叠加，形成多个版本。这种现象会造成定位系统出现延迟和误差。

  过去三十年间，汽车、农业、建筑和采矿等行业一直依赖GNSS定位应用来实现精确定位。了解一个实体的位置不仅对定位至关重要，对车辆导航、追踪和其他传感器数据也意义非凡。例如，提供实时交通拥堵信息是帮助驾驶员避免延误的基础。

  这些应用依赖于快速发展演进的技术。GNSS接收机技术正朝着多频段接收机的方向发展，并在上述行业获得了广泛认可。因此，下文将深入探讨这一技术的发展历程、每种信号的特点、双频段系统的优势及其对各种应用场景的影响。

  图 3. 城市多径环境中更大的GNSS定位误差

  卫星信号频段的演变

  1983年，罗纳德·里根总统放松了对GPS技术的监管，允许将其用于商业用途。从那时起，大众一直在使用L1频段。这是*早的GPS信号，也是大多数导航应用至今仍在使用的信号。

  GPS卫星星座是*早使用1574 MHz频段的系统，为了确保实现互操作性，其他卫星系统也逐渐开始采用类似的频率。例如，中国第三代北斗卫星导航系统BDS-III也使用L1频率发射导航信号。

  L2是民用卫星导航系统可以使用的第二个频段。其信号频率较低，能够穿透云层、树木或建筑物等城区内的障碍物。由于基础设施完善成熟，用户也通过 L1 频率使用这类系统。

  L5是可供民用的*新GNSS信号。目前，美国空军、美国国家太空防御中心(负责监督GPS计划)和欧洲航天局正在完成地面部分的工作，以确保其全面使用。

  图 4. L-band星座和频率

  截至2023年，L1频段将已覆盖全球范围。GPS、Galileo和北斗卫星系统都将使用该频段来传输信号。根据卫星代系和星座的不同，卫星可单独在L1频段上传输信号，也可在L1、L2和L5频段的组合上传输信号。

  每个卫星星座使用的频率都有一套专门的命名法。为简单起见，我们今后将其称为L1、L2和L5。因此请记住，这已超出了 GPS 定义的范畴。

  如上图所示，到目前为止，大多数主要卫星星座均提供双频段。但又一些致力于建设独立定位系统的国家/地区目前在开发卫星技术，以满足连接与通信方面的需求。

  信号特点及其对用户的价值

  下表概述了L-band频率的主要特点，包括可用性、精度和利弊。

  图 5.民用L-band的特点

  民用L1信号通常由两个主要部分组成：粗码/捕获码(C/A)和导航电文。

  粗码/捕获码(C/A码)。数字信号可在更宽的频段上传播GPS信号，加强信号的抗干扰能力。这是大多数大众市场应用软件使用的信号。C/A码仅支持L1频段。

  导航电文。其中承载着卫星信息，包括星历、电离层建模系数、时钟偏差参数(卫星钟偏差)、历书、健康状况和其他数据。

  L1频段依然是民用GNSS应用依靠的主要频率。该频段广泛兼容所有主要的GNSS星座，信号捕获速度极快。

  随着时间的推移，L2与L1的结合在精准定位方面越来越受欢迎，而L5凭借更强的抗多径效应和抗干扰能力，在城市应用中大有可为。

  目前，也有其他一些频率正在部署之中，例如L6。自2023年1月起，Galileo系统将实施高精度服务(HAS)。这是*通过E6-B信号在全球范围内免费提供精密单点定位 (PPP)修正的服务。

  双频段的优势

  同时使用多个卫星频段和星座可提高GNSS接收机的输出质量。以下是双频段的一些优势。

  更高的信号可用性。L5信号的传输频率较低，这意味着传输距离更远，因此穿透力更强。对于在这一频段上工作的双频段接收机而言，这一特点就意味着在有建筑物或树木等障碍物(会造成信号衰减或反射)的区域，信号的可用性更高。

  更高的定位精度。如前所述，大气条件会影响穿过大气层的信号，造成信号延迟。但在获取更多信息时，GNSS接收机可以更精确地计算位置。接收机可以接收两个或三个不同频段的信号，并利用先进算法处理这些信号，从而纠正这些大气延迟。

  提高信号安全性。通过减轻干扰或欺骗攻击等影响，提高系统的复原力和可用性。如果一个频段受到此类攻击，接收机可切换到另一个频段。

  快速信号捕获。在开启GNSS接收机时，L1频段比其他频段更有优势：计算首次定位信息所需的时间更短(TTFF=首次定位时间)。这是使用GNSS接收机的设备节省电力、提高性能的关键指标。在L2或L5频段中捕获信号通常比在L1频段中需要更长的时间。

  出于上述原因，工业级双频段GNSS接收机提供L1/L2或L1/L5频段组合。稍后我们会谈到，在考虑特定应用场景时，这两种方案各有优势。

  L1/L5频段与仅L1频段的对比

  除了信号可用性、定位精度和信号安全性方面的普遍改进外，在应对弱信号(森林中的树叶或汽车车窗造成信号衰减)时，L5频段比L1频段更具优势。

  假设设备的天线未达到足够的增益。在这种情况下，即便信号很弱，L5频段也能帮助维持功能。这有助于确保在具有挑战性的环境中持续提供定位服务，并保证定位精度，优于仅依靠L1频段的接收机所能达到的效果。定位算法是市面上产品质量的关键差异点。

  在城市地区进行的纯L1接收机与L1/L5接收机对比测试表明，L1/L5接收机的精度更高，但仅限于存在多径信号的情况。而在开放空间中，情况则有所不同，此时L1和L1/L5接收机表现出类似的精度结果。

  图 6. 城市环境中的汽车行驶测试

  L1频段与L1/L5频段GNSS比较

  尽管L1/L5双频段接收机具有上述优点，但我们也可以指出其两大主要不足：更高的功耗，以及L5信号的现状，即L1/L5双频段接收机比单频段接收机更加耗电，对于电池供电设备，这可能造成挑战。此外有必要指出，截至目前，GPS和Galileo尚未全面启用L5。鉴于其运行状态，用户必须仔细考虑如何设计基于L5频段的产品。

  图 7. 截至2023年10月，L5频段星座的运行状态

  L1/L2频段与L1/L5频段的对比

  图 8. 一段时间内的GNSS可见度

  从测试结果来看，与 L1 方案相比，这两种多频段解决方案都能提高定位精度和可靠性。

  非 RTK 系统能在可见卫星较少的情况下运行，而 RTK GPS系统则不同，该系统需要更多的可见卫星。因此，L1/L2 频段产品已在 RTK(实时动态)支持下的高精度应用中得到验证，可实现厘米级定位精度。

  与 L1/L2 设计相比，L1/L5 系统具有明显的优势，特别是在多径效应缓解和弱信号环境中的性能表现。

  经验证，许多系统在使用 L1/L2 频段 GNSS 接收机时性能都非常出色。但随着北斗、Galileo 和 GPS 全面启用 L5 频段，我们可以预见，在不久的将来，L1/L5 频段的使用将发生转变。

  图 9. GNSS L5和L2频段的主要区别

  为各类应用选择合适的频段

  图 10. 应用的首选GNSS频段

  仅了解多频段接收机优于单频段接收机还不够，在这两者之间的选择还涉及到更复杂的因素，主要取决于具体应用场景及其特定需求。因此，下面我们探讨一下哪种解决方案更适合各种应用。

  资产追踪器。资产追踪器是一种低功耗的电池供电设备，可以在不更换电池、不充电的情况下长时间工作。由于双频段接收机要比单频段接收机耗电得多，而GNSS通常会在两次定位请求之间关闭电源，因此单频段接收机要更适合这些设备。资产追踪器通常要求10米范围内的定位精度，而L1频段追踪器可以轻松满足这一要求。

  可穿戴设备。与资产追踪器一样，可穿戴设备也是低功耗设备，不过这类设备可以更频繁地进行充电。考虑设备将在城市环境还是开阔环境中使用同样重要。此外，可穿戴设备用户对报告位置、跟踪距离的准确性也有一定的期望。考虑到这些因素，L1频段适用于可穿戴设备所需的低功耗、高性价比定位解决方案，尤其适用于运动手表或具有一定精度的动物追踪器等简单应用。

  对于更复杂的应用，如允许用户访问移动服务或需要PPP信息(例如，避免走到街道上错误的一侧)的智能手机，则更适合使用L1/L5设备。这一选择适用于城市和乡村地区。

  车辆追踪器。大多数车辆追踪应用要求10米以下的定位精度，而仅使用L1频段的导航系统就能很好地胜任这样的要求。更高级的应用(例如要求可信度和高精度的碰撞记录仪)则应依靠L1/L5双频段接收机。

  商用UAV。选择单频段还是双频段无人机接收机要取决于应用场景的具体目标。单频段接收机是消费类设备的*佳选择。而双频段接收机对于要求高精度的实时PPP应用(如在无人机灯光秀中)至关重要。这些接收机对于勘测应用也意义非凡，尤其是在涉及摄影勘测时。在此类情景中，L1/L2接收机的性能广受认可。实时精度可确保现场数据采集的准确性，而后处理则通过改进数据集来增强*终模型。

  无人机的一个关键特性就是快速精准的静态航向定位，就此而言，双频段接收机要优于单频段接收机。

  地面机器人。L1/L5和L1/L2适用于各种应用中的高精度定位设备，包括自主农业机械、测量和建筑设备。接收机的选择取决于每台设备的具体精度要求和应用场景，但L1/L2相较于L1/L5有一定的优势。

  假设设备采用RTK(实时动态)技术。在这种情况下L1/L2接收机比L1/L5接收机的精度更高，因为L2的全球覆盖范围更广，而L5 GPS尚未投入全面运行。另一个优势是，L1/L2接收机在集成到多用途平台时通常表现出色。

  重载机械控制。这个细分领域*初部署的是L1/L2 GNSS接收机，结果令人满意。由于设备的生命周期比其他细分领域要长，向L1/L5系统的过渡将取决于用户对L1/L5设备的认知、经验和早期试验。

  精确授时。在5G推出之前，网络授时仅使用L1频段接收机实现同步。但随着对时间精度要求更高的5G服务的出现，设备需要第二个GNSS频段。除此之外，GNSS信号干扰、电离层延迟和多径干扰等因素也会影响授时数据的可靠性和准确性。随着对精度的要求越来越高，近期业界已采用L1/L2频段组合来提供更精确的授时信息。

  结合L1和L5频段的设备也能缓解授时难题。L1/L5接收机的授时精度可达5ns，是单频段接收机的四分之一。目前，GPS、Galileo和北斗GNSS星座都在通播L5信号，因此，设计用于使用这三个星座的接收器有可能在全球范围内投入使用。

  自动驾驶汽车。在自动驾驶中，不同自动驾驶级别和特定场景有着不同的要求。自动驾驶应用涉及到一系列场景和条件，随着自动驾驶级别的不同而变化。例如，2级高级驾驶辅助系统(ADAS)解决方案侧重于高速公路驾驶，而2+级则将运行设计域(ODD)扩展到城市环境。三级ADAS解决方案主要侧重于在高速公路上实现高完整性。*后，4级和5级解决方案要求在所有类型的环境中都具有出色的完整性。

  L1/L5和L1/L2接收机可以实现这些不同的目标。但L1/L5具有更强的抗多径干扰能力，从而能提高可靠性和导航稳健性，尤其是在拥挤的城市环境中。此外，将自动驾驶功能从高速公路环境(开阔天空和轻度城市条件下)扩展到位于深度“城市峡谷”的城区环境时，L1/L5更受青睐。

  简化的集成，各频段之间的产品封装保持一致

  u-blox为消费、工业和汽车市场提供广泛的GNSS产品和服务。

  依托u-blox GNSS芯片，可提供适合各种应用场景的不同模块封装。某些封装(如 NEO)在多个市场被公认为仅支持L1，但也有支持其他频段选项的不同版本。这可帮助用户轻松从现有设计迁移到双频段解决方案。

  图 11. 基于各种频率段的u-blox解决方案

  总结

  图 12. 将迁移到L1/L5的应用场景

  我们的单频段到多频段旅程即将结束。在前面的章节中，我们探讨了L-band的特点、发展和现状。此外还讨论了双频段接收机的主要优点，并对双频段接收机与单频段/双频段接收机进行了比较。

  从单频段到多频段技术将提高定位精度和抗干扰能力。这种趋势正日渐渗透到所有市场，尤其是消费市场。可以预见，在未来几年中，大多数应用程序都将朝着这个方向过渡。

  具体要选择L1/L2还是L1/L5，需要进一步深入分析情况。如今，与使用L1/L5频段的GNSS产品相比，采用Galileo E5b接收技术的L1/L2接收机(如u-blox F9)可接收更多信号。这对RTK接收机意义非凡。然而，随着GPS L5投入使用，GPS L5信号的可用性将得到提升。L5提供了受保护的频段，而且信号的特性有所改善，可以缓解多径效应(考虑GPS)，因此过渡到L1/L5接收机似乎是顺理成章的下一步。

  我们已经讨论了*具代表性的应用，始终注重当前的使用情况，同时也考虑到未来的迁移。目前，L1频段接收机在许多应用中都非常合适，尤其是在高度注重低功耗的情景中。但如果对于注重定位精度的多径环境，以及注重信号安全性和/或厘米级定位精度的环境，双频段GNSS接收机则是更好的选择。对于精密授时、商用UAV和重载机械控制等应用场景，迄今的事实已经证明，L1/L2是一种可靠的解决方案。然而，迁移到L1/L5的趋势已经悄然兴起。

  ublox 简介

  瑞士u-blox 公司(SIX:UBXN)专注于为客户提供丰富的芯片和模块产品以及全面的物联网服务，赋能客户以实现精准定位与万物互联。我们凭借业界*的解决方案持续推动未来汽车与物联网行业的创新升级。u-blox公司总部设于瑞士苏黎世塔尔维尔，目前全球员工约 1,400 名，可为客户量身打造出兼具精准、智能和可持续性的解决方案。

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