利用 GNSS 星座通播的全频谱信号，满足客户在精度、稳健性、可靠性等方面的严格要求
作者：Mårten Ström, u-blox AG工业导航与机器人产品管理总监
中国上海 - 2024 年 11月 26 日 - 40多年来，GNSS/GPS技术不断发展进步，提高了精度和可靠性，也成就了更加复杂的定位、导航和授时 (PNT) 应用。在过去几年间，不断引入的新卫星信号覆盖了日渐扩大的频谱，为技术的发展进步提供了助力。
现代多频段GNSS接收机能够追踪所有可用频段的信号，显著提高了PNT性能，也成就了复杂的应用。然而，高昂的成本在很大程度上限制了此类接收机在高价值领域的应用，包括建筑和采矿领域的勘测和重型机械。
本白皮书探讨了新一代小巧型全频段GNSS接收机的优势。这些接收机专为满足无人驾驶车辆、无人驾驶飞行器、重型机械和精准农业、汽车导航系统及工业授时和同步等关键应用的需求而设计。
本白皮书首先介绍了所有主要全球和区域卫星系统通播的卫星信号，随后简要介绍了除精度、可靠性和稳健性之外，全频段GNSS接收机还能如何从各项关键商业指标出发提高性能，包括精简生产、简化生产制造流程，以及增强安全性和完整性。
最重要的是，全频段GNSS接收机能够跟踪GNSS卫星使用的所有频段，这确保了接收机可以升级，从而使用新兴服务，例如Galileo的高精度服务 (HAS) 和日本的厘米级增强服务 (CLAS)。凭借这样的特点，全频段GNSS接收机模块成为在大众市场上大规模采用这些服务的关键支持因素。
在各种着眼未来的应用中，全频段GNSS接收机均已成为理想的定位平台。顺应这种趋势，u-blox将继续开发适用于高性能大众市场应用的定位硬件，从而推动技术的采用
全频段GNSS在新应用中发挥卓越性能
基于卫星的定位、导航和授时 (PNT) 应用于20世纪80年代公开推出，自那之后，市场对提高精度和可用性的呼声更加强烈，这推动了此类应用的性能。这种发展演变促使卫星信号激增，不但带来了新的GNSS系统，近期又促使卫星信号扩展到越来越多的频段。如今GPS/GNSS信号在1至2 GHz的L-band上以多种频率通播。这些频段通常划分为L1、L2、L5和L6/E6频段。
第一代民用GNSS接收机只能接收在L1频段上通播的卫星信号，使得这类接收机无法充分发挥在定位精度和稳健性方面的性能，也无法支持更高级的应用，特别是在具有挑战性的环境中。
随着GNSS技术的发展进步，多频段接收机的问世带来了重大飞跃。这些设备能够追踪多个频段，显著提升了性能，成就了更加复杂的应用场景。
如今，GNSS技术的发展最终促成了全频段GNSS接收机的开发，从而将这些高性能定位解决方案的应用范围拓展到了新的市场与应用场景。在这种推动力的背后，是功能强大、结构紧凑、低成本的新一代GNSS接收机。此类接收机能充分利用GNSS卫星和地面基础设施传输的全频谱GNSS信号。本白皮书探讨了在不断壮大的工业、汽车和商业应用领域，如何发挥全频段GNSS接收机的潜力来提供高精度定位、导航和授时功能
探索现有技术无从实现的商业价值
在工业、汽车、商业和消费市场的定位、导航和授时应用中，GNSS/GPS技术的身影无处不在。该技术可在全球任何地点实现厘米级定位精度和纳秒级授时精度，为各类应用提供出众的价值。
利用全频谱GPS/GNSS信号，即可为目前依赖多频段GNSS解决方案的高性能PNT应用释放更高的商业价值。下面的应用场景展现了全频段GNSS解决方案的潜在优势，不仅体现在性能方面，还体现在解决方案的设计、安全与拥有成本方面。
无人驾驶汽车 (UGV)
多频段GNSS解决方案: 无人驾驶汽车的工作环境有着极具挑战性的信号状况，因此需要利用多频段GNSS接收机和GNSS校正服务实现分米级定位精度。这类高精度定位解决方案通常由一个多频段GNSS接收机和本地相关校正数据流订阅构成，后者通常通过蜂窝通信网络传输。
全频段GNSS解决方案: 全频段GNSS接收机可利用在所有频段中发射的卫星信号，有望提高UGV定位解决方案的可用性、稳健性和安全性。全频段GNSS接收机能使用单个设备追踪所有信号，包括全球GNSS校正数据这进一步提高了解决方案设计、生产、认证和全球分发的灵活性。
主要优势：
利用所有可用GNSS信号，实现出色的可用性
提高解决方案的稳健性，加快收敛速度
全球有效的校正服务，适用于高精度定位
由于独立于易受攻击、基于IP的校正，抗风险能力更高
适用于全球的解决方案，可简化生产制造流程
简单、经济的定位解决方案，封装在一件设备之中
无人驾驶飞行器 (UAV)
多频段GNSS解决方案: 无人驾驶飞行器通常在开阔天空信号环境中运行，将多频段GNSS接收机与GNSS校正服务相结合，实现分米级定位精度。
全频段GNSS解决方案: 全频段GNSS接收机将为UAV引入更多频段和更强的防护能力，可以防止有意和无意的射频干扰。其一体化模块中集成全球有效的校正服务，将从根本上简化解决方案的设计、生产、认证和全球产品推广。
主要优势：
利用所有可用GNSS信号，实现出色的可用性
提高解决方案的稳健性，加快收敛速度
全球有效的校正服务，适用于高精度定位
由于独立于易受攻击、基于IP的校正，抗风险能力更高
适用于全球的解决方案，可简化生产制造流程
简单、经济的定位解决方案，封装在一件设备之中
重型机械和精准农业
多频段GNSS解决方案: 建筑和采矿机械的PNT解决方案以及精准农用车辆依赖于多频段高精度GNSS接收机和基于IP的GNSS校正数据。这类接收机和数据通常用于蜂窝通信数据接收不稳定的偏远地区。在这类地区，为了实现应用所需的厘米级精度，可能需要通过UHF从附近的基站传输在本地生成的GNSS参考数据。
全频段GNSS解决方案: 除了在重型机械和精准农业应用场景中简化定位解决方案的设计之外，全频段GNSS解决方案还能让用户随时访问新的GNSS信号和服务。其中包括通过卫星传输的GNSS校正数据，例如Galileo卫星通过L6/E6频段传送的Galileo高精度服务(HAS)。
主要优势：
利用所有可用GNSS信号，实现出色的可用性
提高解决方案的稳健性，加快收敛速度
轻松获取商用和新出现的免费校正服务，包括HAS
利用所有可用GNSS信号提高安全性
简单、经济的定位解决方案，封装在一件设备之中
汽车定位系统
多频段GNSS解决方案: 汽车导航系统中使用的GPS/GNSS解决方案通常包含多个硬件组件，以及与地理位置相关的GNSS校正服务订阅。常见挑战包括：偏远地区的蜂窝通信网络覆盖不可靠，服务可用性差；在进入新地域的市场时，需要管理校正数据订阅；对安全性的期望值过高；以及对大众市场采用构成阻碍的成本问题。
全频段GNSS解决方案: 全频段GNSS将定位解决方案的所有组件封装到一个设备之中，简化了解决方案的设计。利用所有可用卫星信号，包括卫星通播校正数据在内，从而为提供全球高精度GNSS性能的GNSS校正服务铺平了道路。提供更出色的冗余以及对加密GNSS信号的访问能力，能够提供高水准的防干扰和防欺骗保护。
主要优势：
全球有效的校正服务，适用于高精度GNSS
提高解决方案的稳健性，加快收敛速度
适用于全球的解决方案，可简化生产制造流程
卓越的卫星通播扩展能力，适用于大规模应用
利用所有可用GNSS信号提高安全性
简单、经济的定位解决方案，封装在一件设备之中
网络基础设施与时间同步
多频段GNSS解决方案: 当今的多频段GNSS授时接收机可在典型宏蜂窝小区通信环境中提供5纳秒以内的时间同步。但由于网络密度不断提高，5G网络对街道级安装的依赖程度日渐提高，这给GNSS信号接收带来了新的挑战。
全频段GNSS解决方案: 现代全频段GNSS授时接收机能够利用更多可用信号并提高授时精度，从而应对基站挑战。这能提供必要的性能余量，即使现场地点更有挑战性，也能实现可靠的网络同步。这与最新安全功能相结合，成就了关键基础设施应用的理想之选。
主要优势：
适用于全球的解决方案，可简化生产制造流程
利用所有可用GNSS信号提高安全性
简单的定位解决方案，封装在一件设备之中
了解当今PNT解决方案的GNSS频段
L1频段 1559-1610 MHz
GNSS L1频段通常以1575.42 MHz为中心，包含来自全球所有GNSS星座的信号，频率范围为1559 MHz到1591 MHz（包括频率高达1610 MHz的GLONASS）。自GPS问世至今，GPS L1 C/A信号一直是民用GNSS导航和授时应用的主要信号。
如今，全部主流全球GNSS系统（包括GPS、Galileo、北斗和GLONASS）都在L1频段通播导航信号，星基增强系统 (SBAS) 与区域系统也利用该频段来提高精度和完整性。
随着GNSS系统引入新的现代化信号，例如GPS L1C信号，L1频段也在不断发展变化。目前，有六颗卫星通播L1C信号，预计到本十年末，至少将有24颗卫星全面投入使用，是信号设计领域的一次重大飞跃。
L2频段 1215-1252 MHz
L2频段以1227.60 MHz为中心，主要供GPS系统使用，但也能接收来自其他GNSS系统（包括GLONASS和 QZSS）的信号。GPS L2信号通过双频运行提高了GNSS应用的精度，从而实现了更精确的电离层误差校正，并且增强了信号穿透云层、树木和城市障碍物的能力。
自问世至今，GPS系统始终在此频段中通播军用L2 P(Y) 代码。先进的民用接收机采用无码追踪方法，利用了这种军用信号。在现代化改造计划中，美国太空部队引入了第二种民用GPS信号，称为L2C信号，用于满足商业需求，淘汰了利用军用信号的无代码追踪方法。
GLONASS在L2频段上使用略高的频率发射信号，因此有必要扩大频率范围。QZSS系统可增强日本及亚洲-大洋洲地区的GNSS性能，同样在L2频段通播其L2C信号。
这些系统共同使L2频段成为先进GNSS应用的关键组成部分。随着L2C信号的逐步推出，在未来数年间，GPS的现代化进程有望带来更出色的功能和稳健性。
L5频段 1164-1210 MHz
GNSS L5频段以1176.45 MHz为中心，是当前使用的最先进、最强大的频段之一。该频段及其信号已迅速得到GNSS用户的采用，包括需要适度提高精度和可用性的消费类电子产品，以及低功率GNSS接收机。
L5频段专门面向高度注重高精度和高可靠性、关乎生命安全的应用，例如航空应用。该频段包含多个GNSS系统的信号，包括GPS、Galileo、北斗以及地区QZSS和NAVIC系统。
GPS L5信号是GPS现代化工作的一部分，旨在提供卓越的精度和信号完整性，尤其是在具有挑战性的环境中。该信号与Galileo E5a和E5b信号以及北斗B2a和B2b信号一同工作，加强了此频率范围内的GNSS基础设施。此外，支持相应亚洲-大洋洲地区GNSS性能的QZSS和NAVIC也在该频段内发射L5信号。
L5频段的推出标志着GNSS技术向前迈出了重要一步，为要求最高精度和可靠性的关键应用提供了更强大的功能。目前，各类GNSS系统正在部署L5信号，目标是在未来数年间全面覆盖全球。
L6/E6频段 1260-1300 MHz
最新增加的频段是以1278.75MHz为中心的L6频段。L6频段因在高级GNSS应用中的作用逐渐受到认可，特别是那些需要高精度和专门服务的应用，该频段包含多GNSS系统的信号，包括Galileo、北斗和QZSS。
Galileo E6信号位于该频段内，用于实现系统的高精度服务 (HAS) 及新兴加密服务。北斗B3I信号可提供额外的精度和冗余度，从而加强更广泛的GNSS生态系统。
在亚洲-大洋洲地区，L6频段的L6E信号可提供增强服务，包括厘米级精度服务 (CLAS)、日本本土的地区PPP-RTK服务，以及多GNSS高级轨道和时钟增强服务(MADOCA)，这是一项地区精密单点定位 (PPP) 服务，目前覆盖亚太地区，但有可能扩展为全球PPP服务。
对于需要更高的精度和完整性等先进功能的高端GNSS应用，L6频段已迅速成为一个重要频段。随着这些系统的不断发展进步，L6频段将在高级导航应用中发挥越来越重要的作用，特别是在授时和高精度领域，并有望在汽车应用中得到采用。
L-band 1520-1559 MHz
L-band提供全球无缝通信能力，用于在工业自动化应用、精准农业和海事应用中为GNSS接收机传输高精度服务。该频段支持以安全为重点的关键应用，提供专门的增强服务，如差分改正和完整性信息。
因此，L-band是未来GNSS创新的基础频谱，可为自动驾驶等先进技术实现可扩展性和更高的精度。
全频段GNSS提高多项主要商业指标性能
由于各种技术的发展，能同时跟踪所有可用GNSS信号的卫星定位接收机必将让大众市场应用受益。这些结构小巧、易于集成的全频段GNSS模块利用轨道卫星通播的全频率数据，能实现与当今优质定位和授时解决方案相媲美的精密度和准确度。
与此同时，此类模块还能简化生产制造流程、大幅降低总拥有成本并为现场切实增加价值，从而提高了关键商业指标的性能。
简化生产：这种设置可在一个内置L-band接收机的设备内容纳所有定位功能，因此可以充分利用卫星或地面试验网络基础设施通播的GNSS校正服务，简化高性能定位功能的使用。
使用新服务：随着GNSS生态系统的不断发展进步，以及新信号和服务的问世，追踪所有相关频段信号的能力可确保设备通过固件更新利用最新服务（如Galileo高精度服务 (HAS) 和日本的CLAS），从而确保设备适应未来需求。
简化生产制造流程：单个设备即可在多个处于不同地理位置的市场中提供服务——无论是借助卫星星座覆盖，还是全球GNSS校正服务订阅，从而助力全球部署
更广阔高精度定位地理覆盖范围：利用所有可用的卫星信号，这能在不影响精度的前提下消除局部大气校正。这为覆盖全球的高精度定位解决方案铺平了道路，也扩大了市场的地理覆盖范围，提高了服务可用性，特别是在现有技术过去未能充分覆盖的地区。
增强的可用性：全频段接收机的准确度与精确度仍与多频段接收机不相上下，但前者提高了PNT服务的可用性。这类接收机能跟踪更多频段，相当于跟踪更多信号，因此即使在具有挑战性的信号环境中也能提供出色的精度。额外的冗余功能可进一步防止信号中断和停机。
更高的安全性和完整性：在所有频段上追踪所有GNSS星座的信号可提供冗余，借此可提高PNT服务的安全性和完整性。结合Galileo OSNMA等注重安全性的现代服务，全频段接收机能够充分保护用户，避免各种干扰和欺骗威胁。
更低的总拥有成本：实施适用于全球的高精度PNT解决方案所需的元器件更少，带来总拥有成本的显著降低。
如何以经济高效方式利用GNSS信号潜力？
正如前言中所强调的一样，迄今为止，只有能够承受高昂拥有成本的高价值商业应用才能享受全频段GNSS接收机的性能优势。如今，中低价值应用对于性能的期望不断提高，而高价值应用则面临着日渐沉重的成本压力，这一切促使市场对更具成本效益的全频段GNSS解决方案的呼声越来越强烈。
功能强大、结构紧凑的新一代全频段GNSS接收机即将问世，其定价合理，足以保证所有高性能GNSS应用均能享受到其优势。关键推动因素包括接收机芯片的不断微型化，以及L-band接收机集成于GNSS模块之中。
与此同时，GNSS天线制造商正在推出已调整到可以接收所有相关GNSS频段信号的产品，包括通过卫星和地面蜂窝通信数据网络通播的GNSS校正数据频段。
携手u-blox提升PNT性能
超过25年来，u-blox坚持锐意创新，将市场领先的性能与最新功能相结合，以颇具竞争优势的价格推动了GNSS技术的应用。
2018年，u-blox凭借u-blox F9多频段GNSS平台（包括ANN-MB和ANN-MB1天线解决方案）成为这项技术的领先供应商，为大众市场的高精度定位树立了标杆。
如今，u-blox凭借融合颠覆性创新的u-blox X20全频段高精度定位平台和ANN-MB2全频段天线，再次重新定义了业界对高性能定位解决方案的期望。
u-blox在一个设备中捆绑了L1、L2、L5、L6/E6和L-band GNSS信号接收，以及全球领先的RTK、PPP- RTK和PPP支持，可在全球范围内实现厘米级精度，为全球所有用户带来经济实惠、易于集成的定位、导航和授时技术。
此外，利用所有可用的GNSS信号，包括Galileo OSNMA等全新报文认证服务，即可提升检测和抵御干扰和欺骗的能力，从而增强任务关键型应用的安全性。
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。我们凭借业界领先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。
