1.GPS民用信號(hào)開放史

　　1994 年，GPS 全面進(jìn)入正常運(yùn)行，民用信號(hào)采用 L1(頻率 1575.42 MHz)單頻 C/A 碼，并附加選擇可用性(SA)人為干擾，位置精度約為 100m，授時(shí)精度約為 340ns。

　　2000 年 5 月 1 日，美國(guó)政府宣布撤銷對(duì) GPS 的 SA 干擾技術(shù)，民用信號(hào)定位 服務(wù)精度提高到 20m，授時(shí)精度提高到 40ns。

　　近年來，為了進(jìn)一步加強(qiáng) GPS 在全球民用導(dǎo)航市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，美國(guó)政府決定 對(duì) GPS 民用信號(hào)作出重大調(diào)整，引入三種新的民用信號(hào) L2C 和 、L1C、 L5。其中 L2C 是最早投入使用的，2005 年 9 月發(fā)射的 Block IIR—M 2012 號(hào)衛(wèi)星最先開始播發(fā);L5 在 2007 年發(fā)射的 Block IIF 才開始使用;L1C 則更晚，它是 GPS III 代改進(jìn)的 內(nèi)容，將最終取代現(xiàn)有的 L1 C/A 信號(hào)。

　　第一代民用信號(hào)利用 Block II/IIA/tIR 衛(wèi)星發(fā)射，是在 L1 載波上發(fā)射的單頻 C/A 碼。L1波段范圍為1575.42MHz±1.023MHz。

　　第二代民用信號(hào)利用 Block IIR～M 衛(wèi)星發(fā)射，它不僅包含了第一代民用信號(hào)，而且還在 L2 載波上增加了 L2C 信號(hào)。L2波段范圍為1227.60MHz±1.023MHz，早期為軍事專用。

　　第三代民用信號(hào)利用 Block IIF 衛(wèi)星發(fā)射， 它在第二代民用信號(hào)的基礎(chǔ)上， 增加了 L5 載波，用于發(fā)射 L5 民用信號(hào)。 L5波段范圍為1176.45MHz±1.023MHz。

　　第四代民用信號(hào)利用 Block III 衛(wèi)星發(fā)射，它是在第三代民用信號(hào)的基礎(chǔ)上，對(duì) L1 載波中的民用信號(hào)進(jìn)行了改進(jìn)，用新的 L1C 代替了 L1 上原有的民用信號(hào)。

　　2.什么是GPS雙頻定位

　　如前面所述，GPS信號(hào)工作頻率分為了L1、L2、L5等幾個(gè)波段：

　　L1波段：1575.42MHz±1.023MHz

　　L2波段：1227.60MHz±1.023MHz

　　L5波段：1176.45MHz±1.023MHz

　　以往的GPS定位均采用L1波段，是單頻定位方式;目前已有GPS芯片同時(shí)使用L1+L5波段進(jìn)行定位，稱之為多頻定位技術(shù)，比如博通的BCM47755芯片就宣稱支持L1和L5多頻定位：

　　注意，還有個(gè)(GNSS)雙星定位的概念，與GPS雙頻定位完全不是一會(huì)回事，我們以往再講。

　　3.GPS雙頻定位對(duì)精度的提升

　　高碼率可以有效提高精度

　　L1 的碼率低，每一個(gè)碼占用的時(shí)間大約是十的負(fù)六次方秒。當(dāng)然這些信號(hào)都是光速傳播的，也就是三乘十的八次方，那么時(shí)間乘以速度光速大概是接近300米。L5 的碼率是L1 的十倍，每個(gè)碼占用的時(shí)間周期比L1 少10倍，變成了十的負(fù)七次方。再乘以光速就是大概30米。當(dāng)然這是一顆衛(wèi)星的分辨率，如果多顆衛(wèi)星同時(shí)用，很多衛(wèi)星的照射范圍取交集，那么L1 的精度是會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于300米的。而L5 更準(zhǔn)一些。

　　城市中有很多高樓大廈，衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過這些建筑物的反射之后變得非常雜亂，與正確的直射信號(hào)交織在一起，我們叫做多徑(很多條路徑)。這些信號(hào)是光速傳播的，即使一個(gè)小小的反射導(dǎo)致的一個(gè)小小的信號(hào)延遲，和光速做乘法后得到的距離也是很大的。而這些都是誤差來源。

　　L5 信號(hào)碼率高，頻譜密度更容易集中。雖然L5 也會(huì)反射，不過反射之后的錯(cuò)誤信號(hào)和正確的直射信號(hào)疊加形成新的頻譜密度高峰的概率會(huì)比較低，這樣也使得計(jì)算引擎更容易找到直射衛(wèi)星信號(hào)。

　　L5 高碼率這么好用，為什么不直接用L5呢?這是因?yàn)長(zhǎng)1 的低碼率更容易被捕獲，我們要精度的同時(shí)也不能犧牲定位時(shí)間。所以L1 也叫做粗略捕獲碼，待捕獲到信號(hào)之后，L5 就可以一起參與計(jì)算了。

　　兩個(gè)頻率可以消除電離層誤差

　　如果只有L1 信號(hào)，那手機(jī)接收到之后就當(dāng)L1 是直射過來的了。而實(shí)際上L1 可能已經(jīng)在大氣層發(fā)生了折射，而折射會(huì)導(dǎo)致一定的延時(shí)，大氣層的這點(diǎn)延遲會(huì)導(dǎo)致很大的誤差，很多科學(xué)家認(rèn)定大氣層誤差占到所有誤差的60% 權(quán)重。

　　不同頻率的信號(hào)通過相同介質(zhì)的折射率不同。L5 天生和L1 不同頻率。衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射了兩個(gè)頻率的信號(hào)，而手機(jī)接收到的時(shí)間卻不一樣，這樣就給了手機(jī)一個(gè)推算大氣層誤差的機(jī)會(huì)，進(jìn)而去消除。

　　GPS雙頻只能對(duì)消電離層誤差，多徑誤差無法消除(雖然L5信號(hào)的多徑有改善)，NLOS(非直達(dá)信號(hào))無法消除。然而后兩者才是城市環(huán)境中手機(jī)定位中的最主要誤差來源。

　　4.總結(jié)

　　GPS雙頻定位是指同時(shí)使用GPS的L1波段和L5波段進(jìn)行定位的技術(shù)。

　　GPS雙頻定位只能消除電離層誤差，無法消除多徑誤等誤差，因此在空曠環(huán)境下可以提高定位精度，在城市建筑密集區(qū)定位精度提升預(yù)計(jì)不明顯。

　　雙頻GPS 預(yù)計(jì)會(huì)是未來的發(fā)展趨勢(shì)，可以有效改善定位精度(預(yù)計(jì)可達(dá)3-5米)，但還不是革命性的改變。