关于GNSS技术介绍（一）

什么是GNSS？

GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的。GNSS是覆盖全球的自主地利空间定位的卫星系统，用于导航与定位测量，简单来讲，GNSS系统就是利用卫星信号传输实时位置与时间信息，并从而计算得到地面接收设备的经纬度等地理位置信息。

GNSS系统和其他卫星通信一样，可以从结构上大概分成三部分：空间段-地面段-用户段，其中：

• 空间段：在地球上空20,000至37,000公里之间运行的GNSS卫星；这些卫星广播信号，识别正在传输的卫星及其时间、轨道和健康状况。
• 地面段：是一个由位于世界各地的主控、数据上传和监测站组成的控制网络，主要负责这些站接收卫星信号，并将卫星显示的位置与轨道模型显示的位置进行比较并进行修正。而这里的轨道模型与预测数据就被称为星历（ephemeris）
• 用户段：所有可以接收卫星信号并根据至少四颗卫星的时间和轨道位置输出位置的设备都可以称之为用户端，主要包含信号接收天线，可处理该信号并输出位置信息的接收与定位模块。其中有采用基准站与流动站参照提高定位精度的定位模块，也就是RTK。目前，随着自动驾驶与智能物联网等技术的发展，高精度定位发展也越发迅猛，对定位精度与定位效果测试的需求也越来越多。

GNSS的发展历程

GNSS技术是一种卫星通信技术，更是一种无线通信技术。无线通信技术发展至今不过200余年，卫星通信则更短，因此GNSS的发展历史并不算长。

GNSS的发展可以追溯到世界上第一颗人造卫星Sputnik，它是由苏联研发，用于大气层环境测试与无线电与光学轨道追踪方法测试，这引发了美苏之间的太空竞赛。3年后，美国军方开发了世界上第一套基于多普勒效应的定位系统Transit。

此后为了提高定位精度，美国研发了更为精准的基于卫星位置与特定时间精准测距的Timation，这也被认为是GPS的先驱。此后美、苏持续研发GNSS定位技术。1973年，美国建立GPS基础架构，并逐步完善；1982年，GLONASS系统在经过十多年的研发后最终成形；2000年，中国引入北斗系统；2010年，日本发布准天顶卫星系统（QZSS）；2005年，欧盟推出伽利略系统；2013年，印度推出印度区域导航卫星系统 (IRNSS)，现称为 NavIC。

GNSS定位原理

GNSS 定位基于三角测量原理，依赖于对接收器与每颗可见卫星之间的距离的估计，即三点定位法，空间中三个圆的交点即是定位位置（实际上数学问题中三个圆的交点可能不止一个，但是剩余的都会被视作异常，如不在地球表面等），从这个角度讲，定位最少需要三颗卫星。但是，实际应用中有所不同：因为GNSS信号需要传播的距离非常远，期间存在大量干扰与削弱，因此统一的时间参考误差极大，所以实际应用中会将时间作为第四个变量：接收器参考与卫星机载时钟之间的时间差。

GNSS的类型与区别

正如上文所说，目前GNSS泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的：

• 全球导航系统：美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗（COMPASS）系统，即四大系统。
• 区域导航系统：日本的QZSS，印度的IRNSS系统
• 增强系统：美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等。星基增强系统 (SBAS)提供全局误差校正以提高 GNSS 应用的准确性。许多国家管理着自己的 SBAS 系统，这些系统通常被认为与传统的 GNSS 星座分开。

这些星座使用L波段的无线电频率（一般指1100-1600MHz）来传输它们的信号，每个星座可能会为这些信号选择不同的频率并使用对应的标签，GNSS定位设备通常接收至少两个频率。

GNSS的类型

GPS系统（美国）

GPS系统，即全称全球定位系统(Global Positioning System），是世界上第一个在太空中建立的星座，目前该系统有34颗在轨卫星，支持L1（1575.42 MHz）、L2（1227.60MHz）和L5（1176.45MHz）频率，正在通过部署新的GPS III卫星对其进行现代化改造。

北斗系统（中国）

北斗卫星导航系统BDS，简称北斗，是目前世界范围内最大的GNSS星座。20世纪后期，中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年，建成北斗三号系统，向全球提供服务，目前有51颗卫星在轨。

北斗系统具有以下特点：

• 北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能优势更为明显。
• 北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。
• 北斗系统创新融合了导航与通信能力，具备定位导航授时、星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力。
• 北斗卫星目前发射多种信号，包括B1I（1561.098 MHz）、B1C（1575.42 MHz）、B2a（1175.42 MHz）、B2I和B2b（1207.14 MHz）和B3I（1268.52 MHz）。

GLONASS系统（俄罗斯）

GLONASS格洛纳斯，全称为 “全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”，最早开发于苏联时期，前身为Parus，后由俄罗斯继续研发。自2011年起全面运行，目前有27颗卫星在轨运行，GLONASS卫星在GLONASS L1（1598.0625-1605.375 MHz）、L2（1242.9375-1248.625MHz）和L3（1202.025 MHz）频率上广播信号。最新一代卫星GLONASS-K于2016年2月投入使用。

Galileo系统（欧盟）

伽利略是一个较新的星座，于2011年首次发射，由欧洲全球导航卫星系统局在欧盟以外运营，目前有30颗在轨卫星，这些卫星沿L波段频谱传输，将其频率标记为 E1（1575.42MHz）、E5（1191.795MHz）、E5a（1176.45MHz）、E5b （1207.14MHz）和E6（1278.75MHz）。除了基于E1和E5频段信号的高质量开放服务外，Galileo还是第一个为遇险用户提供回传链路的GNSS星座。

QZSS系统（日本）与IRNSS/NaVic系统（印度）

二者都是区域性的导航系统，QZSS全称为准天顶卫星系统Quasi-Zenith Satellite System，目前共有四颗卫星，与GPS L1、L2、L5同频；IRNSS/NaVic,印度区域导航卫星系统（Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS)、NAVIC，在轨数量8颗，与GPS L5同频。

GNSS的区别

最直观来讲，它们拥有着不同的频段与编码方式：

针对主流的四大星座的对比：

此外，卫星的增强系统(SBAS)提供全局误差校正，以提高GNSS应用的准确性、完整度、连续性与可用性。

GNSS测试

目前GNSS测试一方面主要是各类接收机本身的测试项目会用到，例如定位时间测试、捕获时间测试、接收机灵敏度测试、触发精度测试等。这类测试结构简单，实现容易。

此外，伴随着自动驾驶与相关行业的发展，针对高精度定位的测试也越发频繁，包括V2X、车辆导航、车内娱乐系统测试等等，这部分测试大部分都需要在真实环境中联调测试，无法进行单个模块的性能测试，因此HIL（hardware in loop）硬件在环仿真测试方法逐渐成为主流，而这也对测试的需求、架构、精度等提出了更高的要求。GNSS模拟器是基于仿真的手段，结合软件定义的高级架构，在GNSS仿真的基础上更进一步，推出“依托软件引擎，开放硬件平台，高效开放的完成GNSS仿真”的Skydel GNSS仿真引擎方案，并借助该引擎推出适合于HIL测试的GSG-7与复杂场景与多实例测试的GSG-8。

在本期文章中，我们介绍了GNSS技术的发展历程、原理，并对不同类型的定位技术进行了介绍，在下一期文章中我们将继续讨论GNSS的优点与应用及其测试方法和解决方案。

参考：

① 北斗卫星导航系统网站

② First-TF：What is GNSS?

③ Fibocom：一文读懂GNSS（全球导航卫星系统）

④ HEXAGON：What are Global Navigation Satellite Systems?