GPS定位更精准：追踪所有四个全球GNSS星系效益

追踪第四个星系可提高在高楼林立都会环境中的定位效能─而且也同时提高定位技术对干扰的整体承受力。
早在2015年，u-blox M8 GNSS接收器平台在提高定位效能方面，就取得了重大进展，能够同时追踪两个，以及在后来增加到三个GNSS星系。藉由在任何特定时间，使视线内的卫星数量大约增加三倍，可带来显著的定位效益：不仅可使用较大星系组合中的最佳讯号以更准确地计算位置，还能大幅缩短首次定位时间，尤其是在严苛的都会环境中。
之后是u-blox M9和u-blox M10的推出，进一步把任何特定时间可以追踪的GNSS星系数量增加到四个。尤其是，u-blox M10不仅可追踪四个星系，而且功耗水平比前几代产品改善了五倍，并将芯片尺寸缩小了35％，已为超低功耗高效能的定位应用树立了新的标竿。然而，使用者不免怀疑，多追踪一个GNSS星系，到底能提升多少定位效能？

因此，2020年时，把新一代u-blox M9 GNSS接收器带到美国和亚洲不同地点的道路上进行实地测试，验证追踪四个星系可为定位应用带来的效益。以下将说明，追踪四个星系与仅追踪三个星系的定位效能比较。

在严苛环境中进行测试

 
图一 : 在高楼林立的稠密都会区进行GNSS测试，直接比较接收不同星系数量的定位效能。

如图片所示，我们的测试并不是选在易于接收讯号的空旷环境中进行。我们希望能在常见的严苛环境中─亦即高楼林立的稠密都会区，直接比较接收不同星系数量的定位效能。
由于摩天大楼遮蔽了部分天空，因此限制了GNSS接收器视线内的卫星数量，使GNSS接收器很难在都会区中把轨道卫星发出的讯号锁定够长的时间，以便能持续进行定位。而根据理论，透过增加可用的卫星数量，多一个星系，应可带来显著的差异。

卫星可用性的微幅改善
 

图二 : 三个与四个星系测量结果

我们的测量结果也证明了这一点。尽管记录的位置定位率提升并不显著─利用三个星系，已可实现99％左右的定位率。在新加坡的测试中，将星系数量调整到四个，以接收器追踪了28颗卫星，达到99.5％的定位率，而星系数量为三个时，追踪的卫星数量为27（另一组为25），定位率为99%（另一组为99.5％）。芝加哥的测试结果较不明显，定位率仅略好一些，分别为99.2％和98.7％（另一组为99.3％）。

可见卫星数量微幅增加
下列两张图表显示，我们的测试接收器在每个卫星系统中追踪的GNSS卫星数量，以及它们接收到的星基增强系统（Satellite-based Augmentation System；SBAS）讯号数量。
在第一张图中，把可同时追踪的星系数量限制为三个，并透过韧体把被追踪卫星的最大总数限制为30个。在第二张图中，让接收器追踪四个星系，除了同样有最大卫星数量限制之外，但还多了一个限制：每个星系被追踪的卫星数量限制为八个。
由于轨道上有大量的卫星，两个接收器可同时追踪到的卫星数量，一直都接近最大值。然而，这两者之间有一个非常重要的差别：当追踪三个星系时，接收器必须凑合着利用碰巧在视线范围内的任何卫星讯号。而当追踪四个星系时，接收器韧体可以很轻易地选择到能提供最多讯号讯息的卫星组合。
 
图三 : 追踪三个GNSS星系时，每个系统在新加坡追踪的太空载具（space vehicles；SV）数量。
 
图四 : 追踪四个GNSS星系时，每个系统在新加坡追踪的太空载具（SV）数量。

因此，追踪四个GNSS星系的效益包括：

一、卫星讯号的多样性更高，
二、更好的讯号质量。

以下将说明这些效益可直接带来的位置与速度准确度的提升。

提升位置和速度准确度
回到实验室后，我们分析了相同的道路测试数据，以比较追踪三个GNSS星系和四个GNSS星系时，所得到的位置和速度准确度之差异。

图五 : 城市环境准确度量测

以上的数字可以说明一切。在这两种情况下，我们都观察到50％的定位和速度误差（CEP50）的改善，而且改善程度会随着增加测量百分比而提升。值得注意的是，增加一个星系会大幅降低异常值的大小─针对2D定位，减少了三倍以上；针对2D速度，大约减少了二倍。

另一个重要的发现是，所有受定位跳变（position jumps）（异常值）困扰的应用，都能藉由接收4个GNSS星系讯号而提升效能。

追踪更多卫星星系的整体效益
如同上述所发现的，追踪四个GNSS星系只会使GNSS接收器的定位时间微幅增加。对于任何使用GNSS接收器的人来说，这意味着，不管是追踪三个星系还是四个星系，他们的GNSS接收器都能提供定位和速度估算。但是，由于GNSS接收器可以从各种的卫星和星系中挑选最佳的GNSS讯号，因此它可提供更准确的定位和速度估算。
这里所讨论的定量结果其实还蕴含了其他的效益。如文章一开始所提到的，追踪三个GNSS星系可使整体定位解决方案更加强固稳定，以因应恶意RF干扰、意外的GNSS服务中断（例如2019年7月伽利略定位系统曾中断服务一星期）、或是在战争时期被故意中止服务等各种情况。而追踪第四个星系，更能进一步强化这些优势。

（本文作者Bernd Heidtmann为u-blox标准精准度GNSS产品策略经理）