现代 GNSS/GPS 信号：从单频段到双频段

　　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最佳频段组合。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。这是最早的GPS信号，也是大多数导航应用至今仍在使用的信号。

　　GPS卫星星座是最早使用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是可供民用的最新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)。这是首个通过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

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　　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最佳选择。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最终模型。

　　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。这个细分领域最初部署的是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。最后，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。

　　我们已经讨论了最具代表性的应用，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。