GNSS 篇(二) - 卫星导航定位原理

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作者：HywelStar

Hi, 我是你们的老朋友HywelStar,  根据前一章节介绍(传送门 -> GNSS篇(一) - 定位基础知识)，对GNSS 系统的四大全球系统和区域定位系统有了简单介绍，以及一些定位原理进行阐述，本章节将对卫星定位原理进行分析。

本章节你将收获内容：卫星定位原理，卫星定位精度影响，如何提高定位精度，还有距离测量方法。

本章专用名词与概念

星历(Ephemeris)：描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，精密的轨道信息是精密定位的基础。在这里我理解的为卫星未来的运动轨迹相关信息的天气预报，可能存在一些误差。

DGPS - 差分全球定位系统

SBAS - 星基增强系统

1. GNSS定位原理

1.1 三边测量（Trilateration）原理

通过Satlite1,  Satlite2, Satlite3, 正常来说可以确定交叉点的位置。这里需要声明，关于天上的卫星坐标是已知的，虽然说随着时间变化会有变化，但是都会有已知的数据通过导航电报文发送。

1.2 定位模式分类

• 单点定位(绝对定位)：

  以地球为质心为参考点，测定接收机天线在协议地球坐标系中的绝对位置，精度低。
• 静态相对定位：

  静态相对定位是在已知基准站位置的情况下，通过长时间观测两个接收机之间的相对距离差异来提高定位精度。该方法通过消除共同误差，特别是对流层延迟和电离层延迟的影响，实现高精度的坐标计算。由于采用静态观测，定位结果的精度极高，常用于大地测量、变形监测等高精度场景，定位精度可达到毫米级。
• 差分定位(DGPS)：

  差分定位是一种基于修正信号的定位方法，通过使用一个或多个已知坐标的参考站（基准站）对卫星信号进行误差校正，来提高流动站（用户端）的定位精度。差分定位系统可以实时传输修正数据，消除部分卫星钟差、轨道误差及大气误差，从而大幅提升定位精度。典型的差分定位系统包括地基增强系统（GBAS）和卫星增强系统（SBAS），其精度通常可达亚米级甚至更高，广泛应用于航空、航海及车辆导航等领域。

2. 卫星定位精度影响分析

卫星端

• 星历误差：由星历给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差，这是一种属于系统中的误差。

• 卫星钟差：指的是卫星的时钟误差与卫星标准时钟的误差，虽然GNSS 卫星采用了高精度的原子钟保证时钟的进度，但随着时间长期运行下去还存在频率偏差和老化的问题，所以这也会出现一个误差。

• 相对论效应：卫星钟和接收机钟所处的运动状态(运动速度和重力位)不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。

• 卫星天线相位中心偏差：卫星天线和接收机天线的天线相位中心既不是一个物理点，也不是一个稳定的点，对任一天线，天线相位中心都会随着来自卫星信号方向的变化而变化。天线相位中心的误差由两部分组成，一部分是相对于天线物理参考点的平均相位中心偏差（PCO），另一部分是与高度角和方位角有关的瞬时相位中心变化（PCV）。

传输路径

• 电离层影响：电离层中含有气体分子，由太阳灯天体各种射线辐射，产生电离，形成大量的自由电子和正离子。GNSS 信号经过电离层时候，信号路径可能发生弯曲，传播速度也会发生变化。

• 应对措施：双频观测方法

• 对流层：对流层是靠近地面这一层，大气层密度最高，含有几乎所有水汽以及其他。对流层的折射影响，在天定方向可以产生2~3M。

• 多路劲效应：GPS计算中一个可能的误差源是多径效应。当 GPS 卫星信号从附近的建筑物和山脉等结构反弹时，就会发生多路径。这些反射信号会产生干扰，并在计算接收器位置时引入错误，从而导致 GPS 测量不准确。   

接收机端

• 接收机钟差：接收机的时钟一般没有卫星端的时钟源好，一般采用石英晶体振荡器，由于这种远没有原子钟好，将会带来一定的误差。
• 天线相位中心位置偏差：（和卫星端类似）
• 接收机本身装置：
• 相对论效应：（和卫星端类似）

表格总结

3. 如何提高定位精度

• DGPS(差分全球定位系统)

DGPS 来说比GPS 这种更加准确，它添加了能够纠正GPS信号中的错误，其实就是在已经精确测定坐标的参照物上设置GPS接收机，并和移动台上的GPS接收机同步观测不少于四颗的同一组卫星，求得差分数据进行校正。

• SBAS（星基增强系统）

是一种区域或全球导航卫星系统，可提高来自现有全球导航卫星系统的信号的准确性、完整性和可用性。

增强系统将校正后的错误与GPS信号一起实时广播。事实上，这是基于卫星的增强系统（SBAS）的主要思想，可以提供亚米级的GPS精度。

对于SBAS 各个定位系统存在不一样，目前北斗BDSBAS是对北斗系统的扩展，为我国以及周边地区提供更加精准的定位。WAAS 是美国开发，为GPS 校正定位提供很大帮助。

4. 距离测量

4.1 伪距测量

原理：伪距测量基于卫星发送的伪随机码（PRN码）。当卫星发送信号时，它会发送一个时间标记，接收机接收到这个信号后，会比较接收到的伪随机码与它自己生成的伪随机码，计算出信号传播所需的时间。通过乘以光速，得出接收机到卫星的距离，这个距离称为“伪距“。

4.2 卫星载波相位测量

原理：卫星载波相位测量是通过测量GNSS信号的载波相位来确定接收机与卫星之间的距离。载波的波长非常短，因此通过测量载波相位的变化，可以获得极高的精度。

总结

卫星定位原理并不复杂，但是在对于测量的影响度却是非常多，如何去克服这些影响因子是对整个系统的一个挑战，本章节主要对理论知识一个概述理解，对于深度还需要更多时间去思考，查询相关数据，对于这些专业知识，笔者还需继续学习。目前我国北斗导航卫星精度与GPS精度相当，有些数据好于GPS，到达了亚米级别，北斗地基增强系统的实时定位精度可达厘米级别，对于高精度定位将会是趋势。

作为大部分嵌入式开发者来说，对于这些原理和相关测量大概需要了解，当开发者拿到一个定位模块，该如何去使用，如何放到自己设备上运行，测试呢？这将是下一个章节进行分享的内容，关注码思途远，下一期动手操作。

参考：

https://www.keysight.com.cn/cn/zh/solutions/gnss-receiver-sensitivity-testing.html

http://kjdzjs.ijournals.cn/kjdzjs/article/pdf/201804008?st=article_issue

https://malagis.com/principle-and-application-gps-course-summary.html

https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/SBAS_Systems

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