從 L1 信號遷移到 L1/L5 或 L1/L2 信號：背景、應(yīng)用場景、利弊
作者：Bernd Heidtmann，標(biāo)準(zhǔn)精度GNSS產(chǎn)品戰(zhàn)略部產(chǎn)品經(jīng)理
中國上海 - 2024 年 9 月 23 日 - 衛(wèi)星導(dǎo)航依靠接收自衛(wèi)星的信號，而這又要借助頻率范圍通常為1-2 GHz的L-band內(nèi)的GNSS信號通播。L-band包括兩個主要部分：低頻段（1164MHz到1300MHz）和高頻段（1559MHz到1610MHz）。大多數(shù)衛(wèi)星星座都使用這兩部分頻段傳輸數(shù)據(jù)。
自衛(wèi)星定位技術(shù)可供公眾使用以來，L-band中頻率相對較高的L1頻段一直為大多數(shù)設(shè)備所依賴。但這一格局正在快速發(fā)展變化。GNSS接收機技術(shù)取得長足進(jìn)步，促使多頻段接收機在越來越多的應(yīng)用中變得更有吸引力、更具可行性。
或許有人認(rèn)為，多頻段能更好地滿足設(shè)備需求，但事實并非總是如此。單頻段與雙頻段GNSS接收機的取舍要取決于定位應(yīng)用的具體目的。
本白皮書旨在提供有關(guān)定位技術(shù)的綜合指南。為此，本文比較了單頻段與雙頻段GNSS接收機的差異，并詳細(xì)分析了特定應(yīng)用場景下的最佳頻段組合。這能幫助讀者透徹地了解相關(guān)技術(shù)，從而根據(jù)自己的GNSS應(yīng)用做出更明智的頻段選擇。
引言
通信和定位技術(shù)的世界浩瀚無垠。在這個領(lǐng)域，根據(jù)適用于室內(nèi)還是室外環(huán)境，每一種技術(shù)都有特定的應(yīng)用場景。在戶外場景中，環(huán)境的擁塞程度非常重要，您需要考慮設(shè)備的工作環(huán)境是空曠的田野，還是繁忙擁擠的城市中心。上圖為您展示了不同定位技術(shù)選項的精度及其工作環(huán)境。
圖 1. 定位技術(shù)及其適用環(huán)境的對比
根據(jù)這份表格，GNSS定位技術(shù)是在戶外精準(zhǔn)追蹤人員、資產(chǎn)或車輛的少數(shù)幾種方案之一。從精度來看，GNSS優(yōu)于其他替代方案。GNSS的另外一個顯著特點就是全球可用性。用戶可通過GNSS訪問多個衛(wèi)星星座，使用GNSS接收機可實現(xiàn)接近100%的追蹤可用性。此外，GNSS基礎(chǔ)設(shè)施（包括衛(wèi)星、地面控制站和地面監(jiān)測站）均為免費提供，具有其他技術(shù)所不具備的特別優(yōu)勢。
GNSS技術(shù)依賴于對GNSS衛(wèi)星發(fā)射的無線電波傳播時間的精確測量。這些測量的精度取決于發(fā)射機和接收機的特性以及信號的傳輸路徑。
在這個方面，大氣層本身也會帶來誤差。電離層和對流層的變化等因素會導(dǎo)致誤差，也需要加以修正。
圖 2. GNSS誤差來源
環(huán)境因素也會造成誤差。在城市地區(qū)，由于建筑物、隧道或樹木等多重障礙，衛(wèi)星信號的傳輸存在重重挑戰(zhàn)。在傳輸信號經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收機時，就會產(chǎn)生多徑干擾。從太空到接收機的衛(wèi)星信號經(jīng)過環(huán)境的反射、衍射或散射，導(dǎo)致同一信號在不同時間、不同相位疊加，形成多個版本。這種現(xiàn)象會造成定位系統(tǒng)出現(xiàn)延遲和誤差。
過去三十年間，汽車、農(nóng)業(yè)、建筑和采礦等行業(yè)一直依賴GNSS定位應(yīng)用來實現(xiàn)精確定位。了解一個實體的位置不僅對定位至關(guān)重要，對車輛導(dǎo)航、追蹤和其他傳感器數(shù)據(jù)也意義非凡。例如，提供實時交通擁堵信息是幫助駕駛員避免延誤的基礎(chǔ)。
這些應(yīng)用依賴于快速發(fā)展演進(jìn)的技術(shù)。GNSS接收機技術(shù)正朝著多頻段接收機的方向發(fā)展，并在上述行業(yè)獲得了廣泛認(rèn)可。因此，下文將深入探討這一技術(shù)的發(fā)展歷程、每種信號的特點、雙頻段系統(tǒng)的優(yōu)勢及其對各種應(yīng)用場景的影響。
圖 3. 城市多徑環(huán)境中更大的GNSS定位誤差
衛(wèi)星信號頻段的演變
1983年，羅納德·里根總統(tǒng)放松了對GPS技術(shù)的監(jiān)管，允許將其用于商業(yè)用途。從那時起，大眾一直在使用L1頻段。這是最早的GPS信號，也是大多數(shù)導(dǎo)航應(yīng)用至今仍在使用的信號。
GPS衛(wèi)星星座是最早使用1574 MHz頻段的系統(tǒng)，為了確保實現(xiàn)互操作性，其他衛(wèi)星系統(tǒng)也逐漸開始采用類似的頻率。例如，中國第三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS-III也使用L1頻率發(fā)射導(dǎo)航信號。
L2是民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以使用的第二個頻段。其信號頻率較低，能夠穿透云層、樹木或建筑物等城區(qū)內(nèi)的障礙物。由于基礎(chǔ)設(shè)施完善成熟，用戶也通過 L1 頻率使用這類系統(tǒng)。
L5是可供民用的最新GNSS信號。目前，美國空軍、美國國家太空防御中心（負(fù)責(zé)監(jiān)督GPS計劃）和歐洲航天局正在完成地面部分的工作，以確保其全面使用。
圖 4. L-band星座和頻率
截至2023年，L1頻段將已覆蓋全球范圍。GPS、Galileo和北斗衛(wèi)星系統(tǒng)都將使用該頻段來傳輸信號。根據(jù)衛(wèi)星代系和星座的不同，衛(wèi)星可單獨在L1頻段上傳輸信號，也可在L1、L2和L5頻段的組合上傳輸信號。
每個衛(wèi)星星座使用的頻率都有一套專門的命名法。為簡單起見，我們今后將其稱為L1、L2和L5。因此請記住，這已超出了 GPS 定義的范疇。
如上圖所示，到目前為止，大多數(shù)主要衛(wèi)星星座均提供雙頻段。但又一些致力于建設(shè)獨立定位系統(tǒng)的國家/地區(qū)目前在開發(fā)衛(wèi)星技術(shù)，以滿足連接與通信方面的需求。
信號特點及其對用戶的價值
下表概述了L-band頻率的主要特點，包括可用性、精度和利弊。
圖 5.民用L-band的特點
民用L1信號通常由兩個主要部分組成：粗碼/捕獲碼(C/A)和導(dǎo)航電文。
粗碼/捕獲碼（C/A碼）。數(shù)字信號可在更寬的頻段上傳播GPS信號，加強信號的抗干擾能力。這是大多數(shù)大眾市場應(yīng)用軟件使用的信號。C/A碼僅支持L1頻段。
導(dǎo)航電文。其中承載著衛(wèi)星信息，包括星歷、電離層建模系數(shù)、時鐘偏差參數(shù)（衛(wèi)星鐘偏差）、歷書、健康狀況和其他數(shù)據(jù)。
L1頻段依然是民用GNSS應(yīng)用依靠的主要頻率。該頻段廣泛兼容所有主要的GNSS星座，信號捕獲速度極快。
隨著時間的推移，L2與L1的結(jié)合在精準(zhǔn)定位方面越來越受歡迎，而L5憑借更強的抗多徑效應(yīng)和抗干擾能力，在城市應(yīng)用中大有可為。
目前，也有其他一些頻率正在部署之中，例如L6。自2023年1月起，Galileo系統(tǒng)將實施高精度服務(wù)(HAS)。這是首個通過E6-B信號在全球范圍內(nèi)免費提供精密單點定位 (PPP)修正的服務(wù)。
雙頻段的優(yōu)勢
同時使用多個衛(wèi)星頻段和星座可提高GNSS接收機的輸出質(zhì)量。以下是雙頻段的一些優(yōu)勢。
更高的信號可用性。L5信號的傳輸頻率較低，這意味著傳輸距離更遠(yuǎn)，因此穿透力更強。對于在這一頻段上工作的雙頻段接收機而言，這一特點就意味著在有建筑物或樹木等障礙物（會造成信號衰減或反射）的區(qū)域，信號的可用性更高。
更高的定位精度。如前所述，大氣條件會影響穿過大氣層的信號，造成信號延遲。但在獲取更多信息時，GNSS接收機可以更精確地計算位置。接收機可以接收兩個或三個不同頻段的信號，并利用先進(jìn)算法處理這些信號，從而糾正這些大氣延遲。
提高信號安全性。通過減輕干擾或欺騙攻擊等影響，提高系統(tǒng)的復(fù)原力和可用性。如果一個頻段受到此類攻擊，接收機可切換到另一個頻段。
快速信號捕獲。在開啟GNSS接收機時，L1頻段比其他頻段更有優(yōu)勢：計算首次定位信息所需的時間更短（TTFF=首次定位時間）。這是使用GNSS接收機的設(shè)備節(jié)省電力、提高性能的關(guān)鍵指標(biāo)。在L2或L5頻段中捕獲信號通常比在L1頻段中需要更長的時間。
出于上述原因，工業(yè)級雙頻段GNSS接收機提供L1/L2或L1/L5頻段組合。稍后我們會談到，在考慮特定應(yīng)用場景時，這兩種方案各有優(yōu)勢。
L1/L5頻段與僅L1頻段的對比
除了信號可用性、定位精度和信號安全性方面的普遍改進(jìn)外，在應(yīng)對弱信號（森林中的樹葉或汽車車窗造成信號衰減）時，L5頻段比L1頻段更具優(yōu)勢。
假設(shè)設(shè)備的天線未達(dá)到足夠的增益。在這種情況下，即便信號很弱，L5頻段也能幫助維持功能。這有助于確保在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中持續(xù)提供定位服務(wù)，并保證定位精度，優(yōu)于僅依靠L1頻段的接收機所能達(dá)到的效果。定位算法是市面上產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵差異點。
在城市地區(qū)進(jìn)行的純L1接收機與L1/L5接收機對比測試表明，L1/L5接收機的精度更高，但僅限于存在多徑信號的情況。而在開放空間中，情況則有所不同，此時L1和L1/L5接收機表現(xiàn)出類似的精度結(jié)果。
盡管L1/L5雙頻段接收機具有上述優(yōu)點，但我們也可以指出其兩大主要不足：更高的功耗，以及L5信號的現(xiàn)狀，即L1/L5雙頻段接收機比單頻段接收機更加耗電，對于電池供電設(shè)備，這可能造成挑戰(zhàn)。此外有必要指出，截至目前，GPS和Galileo尚未全面啟用L5。鑒于其運行狀態(tài)，用戶必須仔細(xì)考慮如何設(shè)計基于L5頻段的產(chǎn)品。
L1/L2頻段與L1/L5頻段的對比
從測試結(jié)果來看，與 L1 方案相比，這兩種多頻段解決方案都能提高定位精度和可靠性。
非 RTK 系統(tǒng)能在可見衛(wèi)星較少的情況下運行，而 RTK GPS系統(tǒng)則不同，該系統(tǒng)需要更多的可見衛(wèi)星。因此，L1/L2 頻段產(chǎn)品已在 RTK（實時動態(tài)）支持下的高精度應(yīng)用中得到驗證，可實現(xiàn)厘米級定位精度。
與 L1/L2 設(shè)計相比，L1/L5 系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，特別是在多徑效應(yīng)緩解和弱信號環(huán)境中的性能表現(xiàn)。
經(jīng)驗證，許多系統(tǒng)在使用 L1/L2 頻段 GNSS 接收機時性能都非常出色。但隨著北斗、Galileo 和 GPS 全面啟用 L5 頻段，我們可以預(yù)見，在不久的將來，L1/L5 頻段的使用將發(fā)生轉(zhuǎn)變。
為各類應(yīng)用選擇合適的頻段
僅了解多頻段接收機優(yōu)于單頻段接收機還不夠，在這兩者之間的選擇還涉及到更復(fù)雜的因素，主要取決于具體應(yīng)用場景及其特定需求。因此，下面我們探討一下哪種解決方案更適合各種應(yīng)用。
資產(chǎn)追蹤器。資產(chǎn)追蹤器是一種低功耗的電池供電設(shè)備，可以在不更換電池、不充電的情況下長時間工作。由于雙頻段接收機要比單頻段接收機耗電得多，而GNSS通常會在兩次定位請求之間關(guān)閉電源，因此單頻段接收機要更適合這些設(shè)備。資產(chǎn)追蹤器通常要求10米范圍內(nèi)的定位精度，而L1頻段追蹤器可以輕松滿足這一要求。
可穿戴設(shè)備。與資產(chǎn)追蹤器一樣，可穿戴設(shè)備也是低功耗設(shè)備，不過這類設(shè)備可以更頻繁地進(jìn)行充電�？紤]設(shè)備將在城市環(huán)境還是開闊環(huán)境中使用同樣重要。此外，可穿戴設(shè)備用戶對報告位置、跟蹤距離的準(zhǔn)確性也有一定的期望。考慮到這些因素，L1頻段適用于可穿戴設(shè)備所需的低功耗、高性價比定位解決方案，尤其適用于運動手表或具有一定精度的動物追蹤器等簡單應(yīng)用。
對于更復(fù)雜的應(yīng)用，如允許用戶訪問移動服務(wù)或需要PPP信息（例如，避免走到街道上錯誤的一側(cè)）的智能手機，則更適合使用L1/L5設(shè)備。這一選擇適用于城市和鄉(xiāng)村地區(qū)。
車輛追蹤器。大多數(shù)車輛追蹤應(yīng)用要求10米以下的定位精度，而僅使用L1頻段的導(dǎo)航系統(tǒng)就能很好地勝任這樣的要求。更高級的應(yīng)用（例如要求可信度和高精度的碰撞記錄儀）則應(yīng)依靠L1/L5雙頻段接收機。
商用UAV。選擇單頻段還是雙頻段無人機接收機要取決于應(yīng)用場景的具體目標(biāo)。單頻段接收機是消費類設(shè)備的最佳選擇。而雙頻段接收機對于要求高精度的實時PPP應(yīng)用（如在無人機燈光秀中）至關(guān)重要。這些接收機對于勘測應(yīng)用也意義非凡，尤其是在涉及攝影勘測時。在此類情景中，L1/L2接收機的性能廣受認(rèn)可。實時精度可確保現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，而后處理則通過改進(jìn)數(shù)據(jù)集來增強最終模型。
無人機的一個關(guān)鍵特性就是快速精準(zhǔn)的靜態(tài)航向定位，就此而言，雙頻段接收機要優(yōu)于單頻段接收機。
地面機器人。L1/L5和L1/L2適用于各種應(yīng)用中的高精度定位設(shè)備，包括自主農(nóng)業(yè)機械、測量和建筑設(shè)備。接收機的選擇取決于每臺設(shè)備的具體精度要求和應(yīng)用場景，但L1/L2相較于L1/L5有一定的優(yōu)勢。
假設(shè)設(shè)備采用RTK（實時動態(tài)）技術(shù)。在這種情況下L1/L2接收機比L1/L5接收機的精度更高，因為L2的全球覆蓋范圍更廣，而L5 GPS尚未投入全面運行。另一個優(yōu)勢是，L1/L2接收機在集成到多用途平臺時通常表現(xiàn)出色。
重載機械控制。這個細(xì)分領(lǐng)域最初部署的是L1/L2 GNSS接收機，結(jié)果令人滿意。由于設(shè)備的生命周期比其他細(xì)分領(lǐng)域要長，向L1/L5系統(tǒng)的過渡將取決于用戶對L1/L5設(shè)備的認(rèn)知、經(jīng)驗和早期試驗。
精確授時。在5G推出之前，網(wǎng)絡(luò)授時僅使用L1頻段接收機實現(xiàn)同步。但隨著對時間精度要求更高的5G服務(wù)的出現(xiàn)，設(shè)備需要第二個GNSS頻段。除此之外，GNSS信號干擾、電離層延遲和多徑干擾等因素也會影響授時數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。隨著對精度的要求越來越高，近期業(yè)界已采用L1/L2頻段組合來提供更精確的授時信息。
結(jié)合L1和L5頻段的設(shè)備也能緩解授時難題。L1/L5接收機的授時精度可達(dá)5ns，是單頻段接收機的四分之一。目前，GPS、Galileo和北斗GNSS星座都在通播L5信號，因此，設(shè)計用于使用這三個星座的接收器有可能在全球范圍內(nèi)投入使用。
自動駕駛汽車。在自動駕駛中，不同自動駕駛級別和特定場景有著不同的要求。自動駕駛應(yīng)用涉及到一系列場景和條件，隨著自動駕駛級別的不同而變化。例如，2級高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)解決方案側(cè)重于高速公路駕駛，而2+級則將運行設(shè)計域(ODD)擴(kuò)展到城市環(huán)境。三級ADAS解決方案主要側(cè)重于在高速公路上實現(xiàn)高完整性。最后，4級和5級解決方案要求在所有類型的環(huán)境中都具有出色的完整性。
L1/L5和L1/L2接收機可以實現(xiàn)這些不同的目標(biāo)。但L1/L5具有更強的抗多徑干擾能力，從而能提高可靠性和導(dǎo)航穩(wěn)健性，尤其是在擁擠的城市環(huán)境中。此外，將自動駕駛功能從高速公路環(huán)境（開闊天空和輕度城市條件下）擴(kuò)展到位于深度“城市峽谷”的城區(qū)環(huán)境時，L1/L5更受青睞。
簡化的集成，各頻段之間的產(chǎn)品封裝保持一致
u-blox為消費、工業(yè)和汽車市場提供廣泛的GNSS產(chǎn)品和服務(wù)。
依托u-blox GNSS芯片，可提供適合各種應(yīng)用場景的不同模塊封裝。某些封裝（如 NEO）在多個市場被公認(rèn)為僅支持L1，但也有支持其他頻段選項的不同版本。這可幫助用戶輕松從現(xiàn)有設(shè)計遷移到雙頻段解決方案。
總結(jié)
我們的單頻段到多頻段旅程即將結(jié)束。在前面的章節(jié)中，我們探討了L-band的特點、發(fā)展和現(xiàn)狀。此外還討論了雙頻段接收機的主要優(yōu)點，并對雙頻段接收機與單頻段/雙頻段接收機進(jìn)行了比較。
從單頻段到多頻段技術(shù)將提高定位精度和抗干擾能力。這種趨勢正日漸滲透到所有市場，尤其是消費市場。可以預(yù)見，在未來幾年中，大多數(shù)應(yīng)用程序都將朝著這個方向過渡。
具體要選擇L1/L2還是L1/L5，需要進(jìn)一步深入分析情況。如今，與使用L1/L5頻段的GNSS產(chǎn)品相比，采用Galileo E5b接收技術(shù)的L1/L2接收機（如u-blox F9）可接收更多信號。這對RTK接收機意義非凡。然而，隨著GPS L5投入使用，GPS L5信號的可用性將得到提升。L5提供了受保護(hù)的頻段，而且信號的特性有所改善，可以緩解多徑效應(yīng)（考慮GPS），因此過渡到L1/L5接收機似乎是順理成章的下一步。
我們已經(jīng)討論了最具代表性的應(yīng)用，始終注重當(dāng)前的使用情況，同時也考慮到未來的遷移。目前，L1頻段接收機在許多應(yīng)用中都非常合適，尤其是在高度注重低功耗的情景中。但如果對于注重定位精度的多徑環(huán)境，以及注重信號安全性和/或厘米級定位精度的環(huán)境，雙頻段GNSS接收機則是更好的選擇。對于精密授時、商用UAV和重載機械控制等應(yīng)用場景，迄今的事實已經(jīng)證明，L1/L2是一種可靠的解決方案。然而，遷移到L1/L5的趨勢已經(jīng)悄然興起。
