GNSS 代表全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS) 由一組以特定軌道繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星組成。為了覆蓋全球，估計(jì)一個(gè)星座需要18至30顆衛(wèi)星。導(dǎo)航衛(wèi)星向?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)用于接收這些衛(wèi)星信號(hào)并解碼信號(hào)消息內(nèi)容的無(wú)線(xiàn)電接收器提供軌道信息和準(zhǔn)確的授時(shí)（和其他服務(wù)）。利用來(lái)自至少四顆“可見(jiàn)”衛(wèi)星的消息內(nèi)容，可以使用稱(chēng)為三邊測(cè)量的數(shù)學(xué)過(guò)程來(lái)計(jì)算地球表面大部分或附近的位置。
GNSS 通常被稱(chēng)為 GPS（全球定位系統(tǒng)），但該縮寫(xiě)實(shí)際上特指美國(guó)星座。世界各國(guó)政府提供了多個(gè) GNSS 星座，包括：
? 北斗 -- 中國(guó)
? 伽利略 -- 歐盟
? 格洛納斯 -- 俄羅斯
? GPS（原 Navstar GPS）-- 美國(guó)
此外，還有一些其他系統(tǒng)僅設(shè)計(jì)用于服務(wù)特定區(qū)域，而不是提供全球服務(wù)。這些被稱(chēng)為 RNSS（區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)），包括：
? IRNSS -- 印度（也稱(chēng)為 NavIC）
? QZSS -- 日本
有幾個(gè) GNSS 衛(wèi)星星座繞地球運(yùn)行。每個(gè)都提供各個(gè)大陸地區(qū)的定位數(shù)據(jù)
如今，大多數(shù) GNSS 接收器可以同時(shí)接收和解碼來(lái)自多個(gè)衛(wèi)星星座的信號(hào)。這意味著它們可以在全球范圍內(nèi)立即部署，并且可以比僅限于單個(gè) GNSS 星座的接收器提供更廣泛的用途。
美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）最初稱(chēng)為“Navstar GPS”，是第一個(gè)投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng) (GPS) 的發(fā)展始于 70 年代初，第一顆衛(wèi)星于 1978 年發(fā)射。最初的用途是作為定位和定位系統(tǒng)用于軍事目的，隨后 GPS [部分] 向民用和商業(yè)開(kāi)放使用。
提供全球覆蓋的完整 24 顆衛(wèi)星星座于 1993 年投入運(yùn)行。從那時(shí)起，GPS 和其他 GNSS 星座的使用已成為大量商業(yè)、國(guó)防和民用應(yīng)用和服務(wù)的代名詞，這些應(yīng)用和服務(wù)繼續(xù)影響著全球經(jīng)濟(jì)的許多方面。我們的生活。
GNSS 有兩個(gè)主要用途：
? 位置確定
? 定時(shí)
物體的位置是其緯度（距赤道的距離）、經(jīng)度（距英國(guó)格林威治子午線(xiàn)的距離）以及平均海平面以上（或以下）的海拔。這就是所謂的“絕對(duì)位置”。當(dāng)能夠同時(shí)清晰地接收到四顆（或更多）GNSS衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)，就可以確定GNSS接收機(jī)的絕對(duì)位置。在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，例如移動(dòng)車(chē)輛，當(dāng)車(chē)輛移動(dòng)時(shí) GNSS 接收器的位置在一段時(shí)間內(nèi)已知時(shí)，跟蹤和導(dǎo)航應(yīng)用就成為可能。
GNSS 衛(wèi)星通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波發(fā)送的信號(hào)中編碼有極其準(zhǔn)確的時(shí)間戳（和其他信息）。這是通過(guò)在每顆衛(wèi)星上使用極其精確（且成本非常高）的原子鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一旦 GNSS 接收器確定了其位置（這是一個(gè)要求），GNSS 接收器就會(huì)將其內(nèi)部（不太精確）時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘同步。通過(guò)保持同步，GNSS 接收器時(shí)鐘被認(rèn)為具有非常準(zhǔn)確的定時(shí)源。許多行業(yè)現(xiàn)在嚴(yán)重依賴(lài)這些高精度 GNSS 接收器時(shí)鐘，包括銀行、證券交易所、電信公司和電力供應(yīng)商。
使用 GNSS 星座來(lái)確定位置是基于三邊測(cè)量原理。三邊測(cè)量與三角測(cè)量的不同之處在于，它使用直接測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的距離來(lái)確定位置，而三角測(cè)量則測(cè)量會(huì)聚的固定點(diǎn)的角度來(lái)確定位置。GNSS 接收器根據(jù)接收器與多個(gè)衛(wèi)星的距離，使用三邊測(cè)量來(lái)計(jì)算其在地球上的位置。
來(lái)自單個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)提供了一個(gè)圓形區(qū)域周?chē)硞€(gè)點(diǎn)的大致位置，該區(qū)域覆蓋了地球表面的大約 35%，這是一個(gè)巨大的區(qū)域。請(qǐng)注意，該位置不在覆蓋區(qū)域內(nèi)，而是在周界內(nèi)，因?yàn)榈叫l(wèi)星的距離是已知長(zhǎng)度，并且周界內(nèi)的任何位置都將是不同的更短的距離。當(dāng)可以看到第二顆衛(wèi)星時(shí)，該衛(wèi)星的覆蓋范圍將與第一顆衛(wèi)星的覆蓋范圍重疊。這意味著 GNSS 接收器位于覆蓋區(qū)域周邊的兩個(gè)交點(diǎn)之一。當(dāng)第三顆衛(wèi)星可以看出，所有三個(gè)覆蓋區(qū)域周長(zhǎng)的交點(diǎn)將是 GNSS 接收器的位置。即 GNSS 接收器在地球表面的精確二維（經(jīng)度 - X 和緯度 - Y 坐標(biāo)）位置。
當(dāng)可以看到第四顆衛(wèi)星時(shí)，可以使用 XY 坐標(biāo)和第四顆衛(wèi)星的附加“線(xiàn)”通過(guò)三角法確定海拔或高度（可以說(shuō)，該距離越短，海拔越高）。
GNSS 接收器現(xiàn)在具有三維定位；即 XY 坐標(biāo)加上高度/標(biāo)高 (Z)?？梢?jiàn)的衛(wèi)星越多，就越容易以更高的精度確定位置。
描繪三邊測(cè)量工作原理的圖像。 GNSS 接收器的位置位于第一個(gè)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域周邊的某個(gè)位置。
當(dāng)可以看到第二顆衛(wèi)星時(shí)，該位置必須位于周界相交的兩個(gè)點(diǎn)之一。
當(dāng)?shù)谌w衛(wèi)星可見(jiàn)時(shí)，所有三個(gè)覆蓋范圍的交點(diǎn)就是二維位置，并且忽略剩余的交點(diǎn)。第四顆可見(jiàn)衛(wèi)星可以計(jì)算海拔/高度。
GNSS 接收器只有知道以下條件才能執(zhí)行三邊測(cè)量并提供準(zhǔn)確的位置：
? 衛(wèi)星在哪里，
? 衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)的確切時(shí)間，以及
? 收到信號(hào)的確切時(shí)間
前兩個(gè)要求很容易理解，因?yàn)樾l(wèi)星在其軌道上的位置和信號(hào)發(fā)送時(shí)間的信息包含在衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)中。
第三個(gè)要求更加復(fù)雜，因?yàn)?GNSS 接收器內(nèi)部的時(shí)鐘精度相對(duì)較低。這是由于 GNSS 接收器的尺寸、重量、功耗和成本限制——為 GNSS 接收器配備像 GNSS 衛(wèi)星中使用的原子鐘一樣的原子鐘是不可行的。在測(cè)量以光速傳播的信號(hào)的到達(dá)時(shí)間時(shí)，低成本接收器時(shí)鐘根本不夠準(zhǔn)確 - 千分之一秒的時(shí)鐘計(jì)時(shí)誤差就相當(dāng)于 300 公里的位置誤差。
顯然，需要一種解決接收器時(shí)鐘精度問(wèn)題的方法。幸運(yùn)的是，基本的代數(shù)原理開(kāi)始發(fā)揮作用：我們可以說(shuō)在計(jì)算位置時(shí)需要解決四個(gè)未知數(shù)：緯度、經(jīng)度、海拔和接收器時(shí)鐘誤差。這可以寫(xiě)成這樣：
位置=緯度+經(jīng)度+海拔+時(shí)鐘誤差
沒(méi)有必要在數(shù)學(xué)上進(jìn)一步深入研究這個(gè)問(wèn)題，但只要說(shuō)如果我們同時(shí)測(cè)量四個(gè)（或更多）不同衛(wèi)星，我們就可以用四個(gè)未知數(shù)求解我們的位置方程。
GNSS 衛(wèi)星位于約 20,000 公里的中地球軌道 (MEO) 上，這意味著它們大約每 12 小時(shí)繞地球一圈。由于需要始終看到至少四顆不同的衛(wèi)星才能獲得位置，因此經(jīng)計(jì)算，一個(gè)星座中至少需要 24 顆衛(wèi)星才能提供 24/7 的全球服務(wù)。
各個(gè)衛(wèi)星被分組到軌道平面中，通?？梢?xún)?yōu)化人口稠密地區(qū)的能見(jiàn)度。例如，這意味著無(wú)法保證北極和南極地區(qū)始終有至少四顆衛(wèi)星可見(jiàn)。
一些 GNSS 星座在軌運(yùn)行的衛(wèi)星超過(guò) 24 顆。美國(guó)GPS系統(tǒng)目前有35顆。額外的衛(wèi)星有些被指定為備用衛(wèi)星以達(dá)到冗余目的，有些則用于補(bǔ)充特定軌道平面以提高服務(wù)可靠性和準(zhǔn)確性。
從太空衛(wèi)星發(fā)送到 GNSS 接收器的信號(hào)很復(fù)雜，并且結(jié)構(gòu)和頻率各不相同。使用不同的頻率來(lái)提高信號(hào)可靠性、信號(hào)精度和系統(tǒng)冗余。例如，由于信號(hào)波長(zhǎng)不同，某些信號(hào)頻率更適合穿過(guò)樹(shù)木。此外，通過(guò)同時(shí)使用多個(gè)頻率，現(xiàn)代多頻 GNSS 接收器可以通過(guò)測(cè)量信號(hào)在大氣中傳播的差異來(lái)提高定位精度，并有效地將其作為誤差源消除。下面列出了一些 GNSS 頻率示例：
? GPS：L1 – 1575.42 MHz、L2 – 1227.60 MHz 和 L5 – 1176.45 MHz
? GLONASS：L1 – 1602.0 MHz、L2 – 1246.0 MHz 和 L3 – 1202.025 MHz
? 伽利略：E1 – 1575.42 MHz、E5a – 1176.45 MHz、E5b – 1207.14 MHz 和 E6 – 1278.75 MHz
? 北斗：E1 – 1575.42 MHz、E2 – 1561.098 MHz、E5B – 1207.14 MHz 和 E6 – 1268.52 MHz
除了不同 GNSS 星座使用不同（有時(shí)重疊）的頻率之外，信號(hào)信息還以許多不同的方式調(diào)制到載波頻率上。詳細(xì)介紹各種調(diào)制方法背后的數(shù)學(xué)知識(shí)超出了本文的范圍，對(duì)于一般用戶(hù)來(lái)說(shuō)也沒(méi)有必要了解，但作為示例，伽利略系統(tǒng)在其信號(hào)中使用了這些方法：
? E1-I CBOC (6,1,1/11)
? E1-Q 中銀 (15,2.5)
? E5a AltBOC (15,10)
? E5b AltBOC (15.10)
? E6-I BPSK (5)
? E6-Q 中銀 (10,5)
不同的調(diào)制方法旨在最大限度地提高解調(diào)過(guò)程中的信噪比，同時(shí)避免來(lái)自自身衛(wèi)星和其他 GNSS 衛(wèi)星的其他信號(hào)的干擾。
最后，應(yīng)該指出的是，GNSS 衛(wèi)星廣播的一些信號(hào)被故意加密，以確保其使用受到限制。這些信號(hào)最常見(jiàn)的用例是軍方使用的高精度信號(hào)。
通常來(lái)說(shuō)，僅使用 GNSS 和商業(yè)級(jí) GNSS 接收器即可提供約 2 至 5 m 半徑內(nèi)的定位精度。在車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)和電話(huà)定位等非關(guān)鍵應(yīng)用中，5 m 以?xún)?nèi)可能是可以的。對(duì)于需要非常高的精度的應(yīng)用，例如測(cè)量和地理空間應(yīng)用，預(yù)計(jì)位置精度約為 10 毫米。
在導(dǎo)航中，準(zhǔn)確性和精密度雖然看似相似，但并不是同一回事。準(zhǔn)確度純粹是導(dǎo)航系統(tǒng)估計(jì)自身與絕對(duì)位置的接近程度。另一方面，精度更多地與系統(tǒng)的可重復(fù)性或一致性有關(guān)。理想情況下，GNSS 接收器可提供準(zhǔn)確度和精確度。
描繪準(zhǔn)確度和精確度的圖像 – ( A ) 既不準(zhǔn)確也不精確； ( B ) 精確但不準(zhǔn)確； ( C )準(zhǔn)確但不精確； ( D ) 既精確又準(zhǔn)確
有許多因素限制（或可能限制）GNSS 的使用。主要因素是 GNSS 接收器從各個(gè)衛(wèi)星接收到的信號(hào)接收不完善。 GNSS 的惡意無(wú)線(xiàn)電干擾（稱(chēng)為欺騙或干擾）會(huì)破壞信號(hào)，使其無(wú)法連貫地接收，這需要采取戰(zhàn)略方法來(lái)克服，這超出了本文的范圍。
除了干擾和欺騙或其他意外情況之外，還有幾種現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)接收不完美：
| 錯(cuò)誤類(lèi)型 | 范圍 | 解釋 |
GNSS 電離層誤差
| ±5m | 信號(hào)傳播延遲——高層大氣中充滿(mǎn)了電離太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的電子，這些電子可以“彎曲”并反射無(wú)線(xiàn)電波。 |
GNSS 軌道誤差
| ±2.5m | 位置漂移——與時(shí)鐘一樣，衛(wèi)星軌道位置的微小誤差在用于地球上的位置計(jì)算時(shí)會(huì)變得更大。 |
GNSS 時(shí)鐘誤差
| ±2m | 定時(shí)漂移——由于距離的原因，衛(wèi)星時(shí)鐘精度中的微小定時(shí)誤差在地球上會(huì)變成更大的誤差。 |
GNSS 多路徑誤差
| ±1m | 由于建筑物和地形等物體的反射而導(dǎo)致信號(hào)復(fù)制。 |
GNSS 對(duì)流層誤差
| ±0.5m | 信號(hào)傳播延遲——低層大氣比其他大氣層密度大得多，可以折射無(wú)線(xiàn)電波。 |
GNSS 接收機(jī)噪聲誤差
| ±0.3m | GNSS 接收器硬件和軟件引起的信號(hào)噪聲會(huì)影響感知信號(hào)的準(zhǔn)確性。 |
上述誤差源可以大致歸類(lèi)為延遲信號(hào)的影響，從而導(dǎo)致信號(hào)接收時(shí)序問(wèn)題。例如，當(dāng)接收到反射信號(hào)而不是原始視線(xiàn)信號(hào)時(shí)，這種情況在密集的城市地區(qū)很常見(jiàn)，因?yàn)楦邔咏ㄖ纬闪恕俺鞘袓{谷”。當(dāng)然，信號(hào)完全阻塞（例如在隧道、地下或水下）會(huì)導(dǎo)致所有衛(wèi)星信號(hào)完全丟失。
高度復(fù)雜的現(xiàn)代 GNSS 接收器可以使用優(yōu)雅的數(shù)學(xué)技術(shù)巧妙地處理其中一些問(wèn)題，以確定遇到的錯(cuò)誤類(lèi)型并根據(jù)需要應(yīng)用偏移或校正。其中一些功能正在進(jìn)入成本較低的商品 GNSS 接收器，例如手機(jī)中的接收器。盡管有能力糾正一些信號(hào)接收錯(cuò)誤，但當(dāng)所有衛(wèi)星信號(hào)完全丟失時(shí)，唯一真正的解決方案是采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS) 來(lái)估計(jì)隧道內(nèi)的位置計(jì)算。這稱(chēng)為航位推算。
除了提高 GNSS 接收器的性能之外，還采用了多種提高 GNSS 精度的方法。主要手段是安裝地面基站作為 GNSS 的地球參考?；竞?GNSS 誤差校正服務(wù)的目標(biāo)是建立 GNSS 接收器相對(duì)于地球表面絕對(duì)位置的真實(shí)路徑，或盡可能接近其真實(shí)路徑。
基站接收GNSS信號(hào)，并利用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)精確計(jì)算到可觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的距離，從而計(jì)算出GNSS信號(hào)誤差；例如，電離層延遲。每個(gè)基站進(jìn)行的所有測(cè)量和糾錯(cuò)數(shù)據(jù)都會(huì)被記錄并存檔。該數(shù)據(jù)用于各種糾錯(cuò)解決方案，其中一些概述如下：
? 實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué) (RTK) – GNSS 接收器使用來(lái)自固定基站的數(shù)據(jù)廣播來(lái)消除一系列錯(cuò)誤。通過(guò)從 GNSS 接收器到兩個(gè)或更多衛(wèi)星以及從基站到相同衛(wèi)星的不同測(cè)量來(lái)消除誤差。 RTK 可能涉及更高的初始成本和校正服務(wù)許可，但可以提供約 10 毫米的精度。
? 衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng) (SBAS) – 地面參考站網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)多個(gè)參考位置的衛(wèi)星觀(guān)測(cè)，通過(guò)對(duì)地靜止衛(wèi)星提供衛(wèi)星時(shí)鐘、星歷和信號(hào)傳播校正。
? 精確單點(diǎn)定位 (PPP) –配備高精度 GNSS 接收器和天線(xiàn)的地面參考站網(wǎng)絡(luò)，可連續(xù)跟蹤 GNSS 信號(hào)和廣播。然后將處理后的衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘數(shù)據(jù)廣播給 PPP 用戶(hù)，以提供約 10 毫米的精度。
? 后處理運(yùn)動(dòng)學(xué) (PPK) – 處理未校正（“原始”）導(dǎo)航數(shù)據(jù)以達(dá)到相當(dāng)于甚至優(yōu)于 RTK 精度的軟件或在線(xiàn)服務(wù)。重要的是，PPK 適合不需要實(shí)時(shí)校正的應(yīng)用；例如，無(wú)人機(jī)測(cè)量任務(wù)。
星基增強(qiáng)系統(tǒng) (SBAS) 和精密單點(diǎn)定位 (PPP) 是提高全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 信號(hào)的準(zhǔn)確性、完整性和可靠性的技術(shù)。 SBAS和PPP的主要目標(biāo)是提供準(zhǔn)確可靠的定位解決方案，可用于航空、航海、陸地測(cè)量和基于位置的服務(wù)等各種應(yīng)用。
SBAS 是一種利用地面參考站、衛(wèi)星鏈路和處理設(shè)施組成的網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定由各種大氣和環(huán)境因素引起的 GNSS 誤差的技術(shù)。然后，計(jì)算出的誤差通過(guò)地球靜止衛(wèi)星廣播給用戶(hù)，使用戶(hù)能夠應(yīng)用必要的 GNSS 校正因子并提高系統(tǒng)精度。 SBAS 旨在提供一系列服務(wù)，包括準(zhǔn)確性、完整性、可用性和連續(xù)性，以滿(mǎn)足各種應(yīng)用（主要是飛機(jī)）的需求。如果 GNSS 信號(hào)不可靠，SBAS 還會(huì)向用戶(hù)發(fā)出警告。這對(duì)于航空和航海等安全關(guān)鍵型應(yīng)用尤其重要。
使用最廣泛的SBAS系統(tǒng)是美國(guó)的“廣域增強(qiáng)系統(tǒng)”（WAAS）、歐洲的“歐洲對(duì)地靜止導(dǎo)航覆蓋服務(wù)”（EGNOS）以及美國(guó)的“多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)”（MSAS）。日本。 SBAS的主要局限性是單個(gè)系統(tǒng)僅覆蓋特定區(qū)域，無(wú)法覆蓋全球。
PPP是一種無(wú)需本地參考站或?qū)崟r(shí)校正即可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度的技術(shù)。它使用配備高精度 GNSS 接收器和天線(xiàn)的地面參考站網(wǎng)絡(luò)，持續(xù)跟蹤來(lái)自 GNSS 衛(wèi)星的信號(hào)。然后使用稱(chēng)為“整數(shù)模糊度解析”的技術(shù)處理這些參考站收集的數(shù)據(jù)，以確定每顆衛(wèi)星的精確軌道和時(shí)鐘信息。
一旦計(jì)算出精確的軌道和時(shí)鐘信息，就會(huì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星鏈路等各種方式向 PPP 用戶(hù)廣播。需要額外的通信通道是使用 PPP 的主要限制。
PPP 在當(dāng)?shù)貐⒖颊静豢捎没虿粚?shí)用的應(yīng)用中特別有用，例如測(cè)量、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和大地測(cè)量。 PPP還可以與SBAS結(jié)合使用，進(jìn)一步提高GNSS信號(hào)的精度。
PPP和SBAS可以結(jié)合使用，提供高精度定位解決方案。 PPP 可以提供基線(xiàn)解決方案，然后使用 SBAS 校正信息對(duì)其進(jìn)行細(xì)化。這被稱(chēng)為 PPP-RTK，即實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)，它將 PPP 的高精度與 SBAS 提供的實(shí)時(shí)校正信息相結(jié)合。 PPP-RTK 在需要實(shí)時(shí)高精度定位但本地參考站不可用或不實(shí)用的應(yīng)用中特別有用，使其適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、建筑和機(jī)器控制等應(yīng)用。
? 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線(xiàn)多頻段RTK導(dǎo)航系統(tǒng)
? Advanced Navigation Spatial MEMS GNSS/INS 傳感器
? Advanced Navigation Certus Evo MEMS GNSS/INS 傳感器
? Advanced Navigation Spatial FOG Dual FOG GNSS/INS 傳感器
