Multi-band GNSS导航新世代多频多星定位技术解密

2022-05-31

几十年来，众多冒险玩家都是 Garmin 户外运动腕表的爱用者。Garmin 提供各式各样耐用的GPS腕表或手持设备，满足各种活动需求，从传统按键到触控屏幕，小巧机身到大尺寸显示，应有尽有。作为导航科技的领先品牌，Garmin 在 2022 年上市的几款户外运动腕表中都加入 Multi-band GNSS（或称多频多星定位技术）。多频多星定位技术比前一代导航技术更强大，定位更精准。这意味着在更具挑战的环境中，例如讯号容易反弹的楼宇间或山谷中，或是讯号容易受阻挡的树下或森林中，使用者都能享有更好的追踪能力及定位精度。

我们请 Garmin 工程师 Jared Bancroft 提供进一步说明，并且介绍这些卫星的历史及使用多频多星定位的好处。

问：Garmin 为何决定将多频多星定位技术加入户外运动腕表？

答：以GPS卫星系统来说，建构之初采用两个频率 — L1 以及 L2 发送讯号。L1 公开免费，也是主要的民用频率。第二个频率（L2）保留给军方，只能通过加密密钥使用。启用 40 年来，GPS的用户群发现，他们能够将卫星讯号现代化，为民间卫星用途增加精度，同时又能满足军方的需求。因此，GPS后来额外加入了一个频率（L5），并从 2009 年开始发射能传送该频率的卫星。现代化的 L5 频率，讯号特性优于 L1，两个频率一起使用能带来前所未有的定位精准度。使用 L5 频率时，接收器能通过更先进的方式判定哪一个讯号错误较少，藉此增加定位精度。

问：为什么 Garmin 没有在过去的设备中采用多频多星定位技术？为什么现在才有？

答：所有卫星最终都会出现故障并淘汰置换。每次卫星有故障时，不会直接发射一枚新的卫星，而是启用现役的备用卫星，通过这样的方式在卫星故障时维持完整的卫星系统。老旧的卫星最终都会失效并被移往另一个轨道，再由新的卫星取代。

虽然 L5 卫星从 2009 年就开始升空，但是要在卫星系统当中加入新的卫星，也花了几年的时间。新的现代化卫星陆续加入，也逐渐展现它们的效用。即使到了今天，部分GPS卫星仍然无法传送L5讯号，因此需要在服役期满后接受升级。截至 2021 年 3 月，大约有 52% 的GPS卫星有 L5 频率。我们估计到 2023 年，将有 71% 的GPS卫星具备 L5 能力。

问：采用多频多星定位，对使用者在定位精准度上有什么好处？

答：在GPS讯号可接收但严重衰减的时候，例如云层厚重的雨天、丛林中、高楼林立的城市里，多频多星技术就能发挥它的优势。在这些情况中，接收器需要分辨哪些是反射讯号，哪些又是直线视距讯号。在定位过程中，反射讯号会导致不精准的卫星距离。当卫星采用这些不精准的距离数据时，定位就会跳动、偏离路线或完全失准，因为此时数据已经与实际不相符了。在这种情况下，L5 就能提供比传统 L1 更好的连续性及精准度。当然，使用GPS时不可能尽善尽美，卫星讯号不可能在任何环境中都能接收，但总体来说，L5 能够带来令人满意的升级表现。

问：什么时候需要用到多频多星定位技术？

答：当需要高定位精准度时，L5 就成了必备条件。L5 还有另一个大家比较少谈论到的好处，那就是可靠性。可靠性指的就是接收器显示的精度数字在数学上的可信度。我们一般会将精准度想成是与真实值的误差。实际上，接收器利用的是测量结果的一致性来显示定位的精准度。不然，如果接收器真的知道与真实值的误差，它直接告诉你即可。

卫星测量的一致性即代表可靠性。如果所有测量结果都相符，你大概就能有把握知道你手中的数据可靠且可信。如果测量结果不相符，你可能就会对设备的定位精准度没那么有信心。一般来说，精准度和可靠性之间必须取得一个平衡。如果要获得更高的可靠性（或称可信度），通常需要设定精准度较低的指标。这些操作不会改变接收器运算的坐标，只会改变接收器对于这些坐标的可信度。

我们以一架飞越海洋的飞机为例：接收器估计的精准度可能是3米，重要的是，要知道这个 3 米的数字可靠性有多高。在飞行中，定位数据的可信度经常比精度还要重要。如果可信度低，代表采用此数据发生风险的机率高，驾驶员这时就可以采用替代的导航信息。如果可信度高，驾驶员可以决定精度是否满足他的任务需求（降落或在空域中导航等等）。

有了多频定位技术，你就能获得更多信息，在实际用途中亦能带来更高的可信度。比起过去，你可以更信赖它的数据。

恶劣天气下导航的可靠度，是众多消费者在意的要求。

问：这代表 Garmin 设备不够精准吗？

答：Garmin 户外运动腕表是市场上可实现精准导航的产品之一。加入多频多星定位技术只是一种升级。其他的导航卫星系统也有 L5，欧洲 Galileo 定位系统及中国北斗卫星导航系统都有类似的 L5 讯号。如此一来，腕表能利用多个卫星系统提升定位精度以及可靠性。要获得更好的定位，我们建议使用者在寻求更高的定位精度时，使用产品支持的多卫星系统，包含GPS、北斗、GLONASS及 Galileo 等。

目前中国大陆地区支持 Multi-band GNSS 多频多星定位技术的产品有：

fēnix 7 系列户外运动腕表；

epix 系列商务智能腕表；

tactix 7 Pro 战术户外运动腕表；

Forerunner 255 / Forerunner 955 系列跑步腕表；