GNSS全球卫星导航系统相关技术

一、参考资料

映核物联网｜什么是GNSS？

二、GNSS相关介绍

GNSS（Global Navigation Statellite System），即全球导航卫星系统，GNSS的作用是定位和导航。至少4颗卫星，实现准确定位。

1. 全球导航卫星系统

GNSS泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPU、俄罗斯的GLONASS、中国的Beidou北斗、欧盟的Galileo等。其中GPS是目前最成熟、覆盖面最广、定位精度最高的一种卫星定位系统。

1.1 北斗

中国的北斗卫星导航系统（BDS），截止 2020 年 7 月，北斗卫星共有 55 颗北斗导航卫星，北斗导航系统是我国自己研制的全球卫星导航系统，在各种方面的技术手段和精度都是排在世界前列的，并且开放给全球用户使用，开发过程中兼容其他全球定位系统，采用逐渐完善，逐渐发展的建设进程。这一建设理念受到了全球各国用户的欢迎和支持。

1.2 GPS

美国的全球定位系统（GPS），起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。有 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星，6 个均匀分布的轨道平面，轨道倾角约 55°，平均高度约为 20200km。

1.3 GLONASS

俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS），目前有 24 颗卫星正常运行，轨道面间的夹角 120°，轨道倾角 64.8°，轨道偏心率 0.01，每个轨道上等间隔分布 8 颗卫星，卫星离地面高度 19100km。

1.4 GALILEO

欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO），在轨 30 颗，均匀分布在 3 个轨道面上，每个轨道面上 9 颗工作，1 颗备用，轨道面倾角 56°，轨道高度 23616km，运行周期 14 小时 4 分。

2. GNSS系统的组成

GNSS 系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。

1. 空间段，由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成。
2. 地面段，包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。
3. 用户段，包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。

3. PVT

全球导航卫星系统，是能在地球表面或近地空间的任何地点，为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间的空基无线电导航定位系统。三维坐标、速度、时间信息这三个信息是GNSS的必备功能，通常称之为PVT（Position Velocity and Time）。

4. GNSS原理

GNSS是如何帮助用户获取PVT信息的？众所周知，地球表面的任何一个位置，都有它的三维坐标，也就是经度、纬度和高程。它头顶上的GNSS卫星，也有自己的三维坐标系。

我们把整个空间看成一个坐标系，可以画一个立方体。立方体的两个对角，分别是用户和卫星，如下图所示：

根据立体几何可知，卫星和用户之间的距离 $\Delta L$（该距离被称为“伪距”）：
$$\Delta L=\sqrt{(x-x^{\prime }{)}^2+(y-y^{\prime }{)}^2+(z-z^{\prime }{)}^2}$$
卫星的坐标 $(x^{\prime },y^{\prime },z^{\prime }\text{ )}$ 是已知的，用户的坐标 $(x,y,z)$ 是未知的。

与此同时，卫星可以给用户终端发信号，信号的传输速度基本上几乎等同于光速c。而卫星上面有精度极高的原子钟，所以知道自己的时间是 $t$。假设用户终端的时间是 $t^{\prime }$，那么，卫星和用户之间的距离 $\Delta L$，又可以通过下面这个公式算出：
$$\Delta L=\left(t-t^{\prime }\right)\cdot c$$
两个公式一合并，可得：
$$(t-t^{\prime })\cdot c=\sqrt{(x-x^{\prime }{)}^2+(y-y^{\prime }{)}^2+(z-z^{\prime }{)}^2}$$
一个公式里有4个未知数$(x,y,z,t)$，大家都懂的，这个公式是解不出来滴。再找3个卫星的坐标值，组成4个四元方程，即可解得。这就为什么说一个用户终端要想解算出自己的准确位置，必须要有至少4颗卫星。

5. GNSS关键技术

GNSS的工作原理看似简单，但真正想要把这个系统做好，是非常困难的。衡量一个GNSS系统是否足够优秀，主要看它的精度、速度和灵敏度。这个速度，主要是指从启动定位设备到首次正常定位所需时间，也称为TTFF（Time to First Fix）。

影响GNSS定位精度的主要原因，是误差。误差既来自系统的内部，也来自外部。例如穿透电离层和对流层时产生的误差，还有卫星高速移动产生的多普勒效应引起的误差，以及多径效应误差、通道误差、卫星钟误差、星历误差、内部噪声误差等等。这些误差，有些是可以完全消除的，也有些是无法消除或只能部分消除的。消除水平的高低，直接决定了系统的准确性和可靠性。

为了更好地消除误差、提高反应速度，GNSS会引入一些天基或陆基的辅助手段。结合辅助手段的GNSS，也被称为A-GNSS。A就是Assisted，“辅助”的意思。

现在比较常用的，是通过陆基的移动通信网络，传送增强改正数据，提供辅助信息，加强和加快卫星导航信号的搜索跟踪性能和速度，缩短定位时间，提高定位精度。除了A-GNSS之外，GNSS还引入了一些关键技术，帮助提升系统性能，包括：RTK技术，惯性导航技术。

5.1 RTK技术

RTK（Real-time kinematic），称为实时动态差分法，又称为载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，包括传统RTK和网络RTK两种模式。

传统RTK模式，只有一个基准站。网络RTK模式，有多个基准站。

以网络RTK为例，多个基准站会采集监测数据发给控制中心，控制中心针对数据进行粗差剔除后，再进行解算，并最终将改正信息发给用户。

网络RTK的覆盖范围很广，可以距离用户上百公里。而且，网络RTK拥有更高的精度和稳定性。

5.1 惯性导航技术

GNSS卫星定位虽然方便，但容易受客观条件的影响。例如隧道、森林等路段，GNSS信号容易中断。此时，就需要临时采用其它的辅助手段。

航位推算（DR，Dead Reckoning）就是一种自主式的惯性导航技术。通过采用加速度传感器和陀螺仪传感器，结合一些专用算法，它可以根据用户终端（例如车辆）的初始位置信息以及传感器获得的信息，推算出用户终端在盲区位置的高精度导航数据。

DR和GNSS有很强的互补性，一方面DR可以帮助补盲，另一方面GNSS也能对DR进行实时纠偏，帮助DR推测出更准确的位置。

6. GNSS应用场景

GNSS目前能够满足大部分行业应用需求，例如交通、水利、减灾、海事勘探、建筑等领域，尤其随着车联网行业发展，5G对车联网的重要意义，GNSS定位导航服务，同样是车联网发展的必备条件。