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公告日期2013/3/12
公告部門育陞科技
新聞標題結合GPS與GLONASS GNSS定位更精準
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結合GPS與GLONASS GNSS定位更精準

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引用來自 新通訊 2012 年 8 月號 138 期《 技術前瞻 》

文.George Arnott

基於無線傳輸的全球導航衛星系統(GNSS)已成為日常生活中導航、地點搜尋與地圖定位的重要裝置。目前有幾種GNSS系統如歐洲Galileo和中國大陸Beidou,但美國全球衛星定位系統(GPS)因可提供全球覆蓋率,因此在所有導航系統中仍是最流行也最被廣泛使用的一套系統。目前所有運作中的GPS衛星有三十一顆,另外還有三至四顆暫停使用的衛星,如果需要可重新啟動。

自2011年10月起,俄國的GLONASS擁有二十四顆已上軌道而完全運作中的衛星,另外還有四顆預備與一顆測試中的衛星。此不僅僅是GPS的一個替代方案,尤有甚者的是一個結合GPS/GLONASS系統,其擁有五十五顆位於地球外層空間不同軌道完全運作的衛星(圖1)。

衛星導航的運作,需要至少四顆衛星來決定定位,其中三顆衛星提供每一個空間軸(x、y及z)的數據,另一顆則提供發送時間。愈多顆衛星被追蹤連線,定位就愈精準。一般來說,若僅有GPS系統,地球表面的任何一處則均能觀測到五顆衛星,如果處於一個沒有遮攔的地點,甚至可觀測到高達十二顆衛星。

圖1 不同GNSS的軌道

 

單一GPS系統受限多

特別是在擁有眾多高樓大廈的大型城市中,衛星訊號經常漏失,這對於車隊管理和其他追蹤定位應用等是不被允許的。此外,單一GPS導航系統尚有其他更多的限制,例如GPS衛星在距地球20,000公里的軌道上運行,其所發射的訊號到達地球的接收器時強度僅-130dBm,經過城市干擾環境甚至產生進一步衰減,這使得要從背景雜訊中隔離出這些訊號,已成為一種真正的挑戰。

為克服種種限制,工程師決定開創一個結合GPS和GLONASS的解決方案。他們相信透過五十五顆繞行於不同軌道衛星且涵蓋率達全球,應該對導航帶來一定的衝擊,同時也應能提供相關的利益。

結合GPS及GLONASS

2012年2月,泰利特(Telit)的GNSS工程師群決定實地進行測試,比較單一GPS系統接收器和GPS+GLONASS接收器的導航精度。該團隊在洛杉磯市區從早上11:00到下午3:00測試七條追蹤路線,同時選測好幾款標準型單一GPS導航器,以與泰利特能處理GPS和GLONASS訊號的最新GNSS模組Jupiter SL869進行比較,而結果非常近似,GPS和GLONASS結合系統可實現比單一GPS系統更準確且更卓越的定位能力。

Jupiter SL869是一款32通道全球定位模組,可接受全球可用GNSS系統如GPS、GLONASS與QZSS的所有頻譜訊號,以實現接收、追蹤與導航,此外,也適用於歐盟的伽利略系統。其極低高度與小尺寸的LCC封裝適合極精小的應用,可大幅降低所需成本與空間;而精小設計與寬廣溫度範圍,則成為低、中、高量能M2M結合應用與手機/定位追蹤資料元件的極佳模組。

該模組並搭載強大的省電微處理器,透過序列介面提供符合國家海洋電子協會(NMEA)標準協定的所有GNSS訊息。此外,該模組利用多重GNSS架構、太空輔助定位系統(SBAS)及實時星曆表數據,可有效地在嚴酷的環境中獲取正確定位。

此外,在路面追蹤精度上也有很大差異,單一GPS系統定位時會產生脫離道路幾公尺(m)的情況,亦即定位軌跡並不在道路上,而是在路旁,而GPS+GLONASS則是能進行非常精準的定位,從未發生脫離道路的情況。

另一個類似的研究,也在2012年3月20日於倫敦進行,其內容是監看單一GPS系統接收器和GPS+GLONASS接收器所能搜尋到的衛星數目,其結果與洛杉磯的情況相同:在倫敦,訊號被五層大廈所遮蔽,能追蹤到的GPS衛星數目降到四顆以下。因此,單一GPS系統接收器瞬間失去定位能力,這種情況發生三次,其中發生於下午3:00的該次是最為嚴重,接收器完全收不到訊號達20分鐘之久。

GPS+GLONASS也同時進行相同的追蹤測試,結果顯示總會有超過四顆衛星被搜尋到,因此定位實質上是比較有保障的(圖2)。此外,有高達十五顆衛星在倫敦地區被GPS+GLONASS方案搜尋到,反觀單一GPS系統所追蹤到的衛星還不到八顆,僅是GPS+GLONASS可用衛星數的一半。

圖2 在3月20日倫敦地區GPS+GLONASS系統搜尋到的衛星數,衛星數絕不少於六顆。

因為有GLONASS的加入,使測試顯示搜尋到的衛星絕不低於六顆,相關失去衛星涵蓋的問題,尤其具有高聳建築的城市峽谷則因此大幅降低。此外,測試結果也顯示定位精度也有效提升,除此之外,團隊也注意到定位速度同時獲得改善,這對於諸如失竊車輛的尋回至為重要,其關鍵便是不論車輛位於何處,都可將其定位。GPS與GLONASS結合架構的實作,對於導航而言已向前跨出重要的一步,其提供最佳衛星密度架構以獲得最準確的定位,且不侷限於俄國,而是全球皆能用。

最後,其實現更精確的定位,在電子地圖上更精準地鎖定一個人、一輛車或資產真實位置。更多的測試已於南非展開,一般認為目前所有發現也將於當地再次得到驗證。

(本文作者為泰利特定位解決方案事業部副總裁)