GNSS基本概述——GPS，BD，GLONASS，Galileo
2019.6.11
笔者有大半年没有更新博客了，最近又重新投入了工作中，所以打算总结一下这两三年来学习的卫星导航知识，毕竟这个才是我的专业。之前惯导以及SLAM等都是自己边学习边总结的，最近打算写一下卫星导航的博客，把这几年来的积累做一个完整的概括，也方便自己温故知新。
目录
GNSS概述?️
GPS（Global Position System）
BeiDou
GLONASS
Galileo
GNSS概述?️
首先了解什么是GNSS，以及GPS，北斗，GLONASS，Galileo。
GNSS即全球导航卫星系统（global navigation satellite system），它包括全球性的美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的Galileo。此外还有区域性导航系统，如日本的准天顶（QZSS），印度的IRNSS。增强系统有美国的WAAS，日本的MSAS、欧盟的EGNOS、印度的GAGAN以及尼日尼亚的NIG-GOMSAT-1等。
我们这里主要探讨四大全球导航系统，并以GPS和北斗为主。
卫星导航系统的组成包括三个部分：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。空间星座部分就是那些卫星啦，四大导航系统的卫星占据着不同的轨道，卫星的数量、组成、通信等原理也不尽相同。地面监控中心接收、测量将卫星信号，确定卫星的轨道信息 并将其发射给卫星。用户设备即接收机，可以是专业的多频多系统接收机，也可以是我们手机中的GPS模块，通过信号解算出的卫星轨道信息等来确定用户的位置。
GPS（Global Position System）
作为最早的卫星导航系统，GPS无疑占据了最好的轨道和资源。GPS的空间星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成.
空间星座组成
•24 颗卫星
•6个平面轨道
–相对于赤道的倾角为 55º
–轨道之间的间隔为60º
•距离地区表面20,200 km
•轨道周期11 hr 58 min
•5到11颗卫星可见
而地球自转的周期为23小时56分，这样就保证了对于地球上的观测点，GPS卫星每隔23小时56分就会重复一次。在地面上可见卫星的数量至少4颗，保证了基本的定位要求。
GPS的历史
–子午仪系统（Transit System）
–NavStar (现在称为 GPS)
•开始于 1973
•前四颗卫星发射于 1978
•GPS的第一次实际应用是在1990年的海湾战争。
•1995年7月17号全面投入运行。
•系统耗资 $12 billion
•GPS 为民用和军用提供全球服务
•2000年5月，宣布解除SA(Selective Availability)
GPS卫星的改进
卫星组成
•四个原子钟
•3块镍铬电池
•两块太阳能电池板–电池充电/电力供应/1136 watts
•S 波段天线－控制卫星
•12 个L 波段天线元—用户通讯
•Block IIF 卫星(第四代)
GPS现代化
| GPS IIA/IIR: | GPS IIR-M, IIF |
GPS III |
| •Standard Service (~100 m) •Precise Service (~16 m) •Two Nav frequencies L1: Civil (C/A) & Precise code, Navigation L2: P-code Nav |
IIR-M: Improved on all IIA capabilities and added •2nd Civil Signal on L2 •New L1 & L2 M-Code IIF: IIR-M capability and: •Add 3rd Civil Signal on L5 |
•Increased power (+20dB) •Increased Accuracy •Greater Availability •Controlled Integrity •Greater Survivability |
GPS误差来源
•卫星轨道扰动 (被称作星历)–太阳、月亮的引力; 太阳风
•大气信号延迟–电离层、对流层
•原子钟的浮动
•接收机质量–有缺陷的钟或者内部噪声
•多经–多经信号反射
BeiDou
北斗卫星分布在MEO，GEO，IGSO三种轨道上。
目前北斗卫星发射情况如下图：
2019.5.17在西昌用长征三号丙运载火箭成功发射了第45颗北斗导航卫星。该卫星属于GEO轨道，是北斗2号工程的第4颗备份卫星。
关于北斗的更多内容可以参考www.beidou.gov.cn/
GLONASS
自1982年至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星，于1996年初投入运行使用。空间星座由均匀分布在3个MEO轨道面的24课卫星组成，轨道高度为19100km，在高纬度地区的覆盖度比GPS要好。
Galileo
截止2016年12月，已经发射了18颗工作卫星，具备了早期操作能力（EOC），并计划在2019年具备完全操作能力（FOC）全部30颗卫星（调整为24颗工作卫星，6颗备份卫星）计划于2020年发射完毕，MEO轨道高度为23222km。
知乎上有一篇关于卫星分布的回答写的很好，在这里用一下作者的图。回答的链接是https://www.zhihu.com/question/21092045/answer/17164418
最后，给大家推荐几本卫星导航相关的书籍
1.谢钢《GPS原理与接收机设计》
这本书算是经典教材了，内容比较全面，适合刚刚接触导航的学生，读者可以根据自己的需要阅读相应的章节。
2.（德）许国昌《GPS理论，算法与应用》
这本书注重于算法理论和公式推理，有了一定的卫星导航基础知识和矩阵理论的基础，再来看这本书会容易展开。书中的推导过程都非常棒，有助于对卫星导航中常用的矩阵运算过程更好的理解。
3.李征航，张小红《卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法》
这本书是武汉大学的两位老师主编，也很好的反应了武汉大学在卫星导航方面的强项，即高精度数据处理。对于做RTK，PPP等定位算法等同学来说，这本书在数据处理方面还是有很好的参考价值。