什么是全球導航衛(wèi)星系統（GNSS）

文章出處：新聞資訊責任編輯：深圳市廣陵達科技有限公司發(fā)表時間：2024-10-08 15:17:14

全球導航衛(wèi)星系統 (GNSS) 是一種衛(wèi)星配置或星座，提供編碼衛(wèi)星信號，這些信號由 GNSS 接收器處理以計算位置、速度和時間。 GNSS 是一種被動系統，這意味著使用其技術的用戶數量沒有限制，可供世界各地的任何人使用。

1978年，美國發(fā)射了第一顆導航系統衛(wèi)星。這導致了一個由 24 顆衛(wèi)星組成的全面運行的星座，稱為 NAVSTAR 全球定位系統，在 20 世紀 90 年代初開始運行。如今，該系統簡稱為全球定位系統 (GPS)，其星座中包含 31 顆衛(wèi)星。

CONSTELLATIONS

自從美國發(fā)射第一個全球導航衛(wèi)星系統以來，其他幾個國家也發(fā)射了類似的全球導航衛(wèi)星系統星座。其中一些系統目前已可供使用，而另一些系統將在未來幾年內全面投入運行，如表 1.4 所示。

國際 GNSS 星座（表 1.4）

名稱	原產地	全面投入運營	衛(wèi)星數量	載波頻率
GPS	美國	1993年	31	L1/L2/L5
GLONASS	俄羅斯	1995年	24+	G1/G2
Galileo	歐洲	2020年	30（當前22）	E1/E5a/E5b
北斗	中國	2020年	30（當前28）	B1/B2
QZSS	日本	2024年	7（4 當前）	L1/L2/L5

SEGMENTS

GNSS 通過三個不同的部分運行，即空間部分、地面控制部分和用戶部分，如圖 1.3a 所示?？臻g段由放置在特定星座中的衛(wèi)星本身組成，如圖 1.3b 所示。地面控制部分利用世界各地的地球跟蹤站來管理整個導航系統。美國 GPS 系統的這些站點的具體位置如圖 1.4 所示。用戶部分由可在世界任何地方使用的 GNSS 接收器組成。

全球導航衛(wèi)星系統（GNSS）示意圖

地面控制部分跟蹤并監(jiān)視衛(wèi)星軌道、時鐘和健康狀況中的錯誤和偏差。該信息通過無線電信號發(fā)送到空間段。通過地面控制部分跟蹤空間部分的軌道并向其上傳軌道修正的過程，衛(wèi)星能夠高精度地知道它們所在的位置。然后，衛(wèi)星將該信息傳輸回用戶段，在用戶段中對這些信息進行跟蹤、解碼并用于確定用戶的位置、速度和時間。

GNSS 地面控制站

圖：1.4 GNSS 地面控制站

導航信息

地面控制部分發(fā)送到衛(wèi)星的信號然后發(fā)送到最終用戶，稱為導航消息。 GPS 導航消息包含四個主要部分：GPS 時間、衛(wèi)星健康狀況、星歷和年歷。雖然本討論特定于 GPS 星座，但所有 GNSS 星座都存在基本特征。

GPS時間

導航消息中的 GPS 時間基于能夠保持高精度時間的原子鐘。它以周數和周秒數指定。周數是一個計數器，指定自 1980 年 1 月 6 日以來已經過去的周數或第 0 周。但是，該計數器只能存儲從 0 到 1,023 的值，因此一旦在 1999 年 8 月 21 日到達第 1,024 周，然后又在2019年4月6日，周數回滾到0。周數的這個回滾周期將繼續(xù)每1,024周重復一次。一周秒數是指本周的秒數，從格林尼治標準時間周日中午 12:00 開始。

衛(wèi)星健康

衛(wèi)星健康信息向 GPS 接收器傳達衛(wèi)星是否健康以及其傳輸的導航數據是否可信。如果衛(wèi)星被認為是“健康的”，則衛(wèi)星傳輸的導航數據被認為是可用的。然而，被認為“不健康”的衛(wèi)星包含部分或完全無法使用的導航數據。

星歷表

星歷表包含特定于傳輸導航消息的衛(wèi)星的高精度軌道數據。該數據自地面控制部分上傳至衛(wèi)星起最多只能在四個小時內使用。因此，地面控制部分每四小時更新一次每顆衛(wèi)星的星歷表。幸運的是，GPS 接收器從衛(wèi)星下載完整的星歷表只需要大約 30 秒。

年鑒

年歷是空間段星座中每顆衛(wèi)星的低精度星歷表的集合。該數據庫的更新頻率遠低于星歷表，GPS 接收器大約需要 12.5 分鐘才能下載完畢。由于年歷包含精度較低的星歷表，接收器主要使用此信息來確定哪些衛(wèi)星很快就會在地平線上可見并進行跟蹤。年歷還包含將 GPS 時間轉換為協調世界時 (UTC) 所需的閏秒信息，因為 UTC 比 GPS 時間滯后閏秒數。

偽距、載波相位、多普勒

GNSS 接收器跟蹤三個原始可觀測值：偽距、載波相位和多普勒。

偽距

為了確定從衛(wèi)星到用戶的距離，GNSS 接收器測量信號從衛(wèi)星傳播到接收器所需的時間。由于信號以光速傳播，因此接收器測量到的信號傳播時間的乘積（t）和光速（c) 等于范圍 (r = t ? c）。

然而，這種測量依賴于高精度計時。接收器使用低端時鐘而不是原子鐘進行計時，導致與真實 GPS 時間存在未知偏差。由于這種時鐘偏差誤差，接收器測量的不是衛(wèi)星的真實距離，而是偽距（r）。偽距是計算用戶位置和時間的基礎。

載波相位

從衛(wèi)星發(fā)送的信號包含稱為載波的正弦信號。雖然信號本身不包含信息，但它攜帶包含已在其之上調制的信息的其他信號。從衛(wèi)星到接收器的距離可以分解為載波信號的整數個全波長加上分數波長。該分數波長稱為載波相位，可以直接測量。盡管獨立接收器無法估計整數個波長，但載波相位可用于多接收器技術（稱為 RTK）（參見第 1.5節(jié)），以實現高精度定位。

多普勒

當 GNSS 接收器接收并跟蹤來自衛(wèi)星的信號時，由于用戶和繞地球軌道運行的衛(wèi)星的聯合運動，信號的頻率似乎會發(fā)生變化。這種頻率變化可用于確定相對速度。多次多普勒頻移測量能夠為用戶產生實際速度。

位置、速度和時間 (PVT)

來自導航消息的信息和原始可觀測數據中的數據可用于確定 GNSS 接收器的位置、速度和時間 (PVT)。

三邊測量

雖然距離測量衛(wèi)星和用戶之間的距離，但這種測量本身并不能提供用戶的位置。然而，如果能夠確定多個衛(wèi)星的距離測量，則可以使用稱為三邊測量的方法來估計用戶的位置。

GNSS 三邊測量

三邊測量使用從衛(wèi)星到用戶的距離測量來創(chuàng)建包含用戶所有可能位置的區(qū)域。在 3D 定位的情況下，這個可能的區(qū)域是一個半徑等于距離測量值的球體，以衛(wèi)星位置為中心，如圖 1.5a 所示。一旦確定了另一顆衛(wèi)星的附加距離測量值，用戶可能的位置就可以縮小到球體相交的圓，如圖 1.5b 所示。

為了確定用戶的估計位置（精確到單個點），必須計算對三個不同衛(wèi)星的至少三個距離測量。這三個范圍測量提供了用戶可能所處位置的三個不同球體，并且全部相交于一點，如圖 1.5c 所示。實際上，由于各種誤差，這些測量值中的每一個都是不完美的，并且估計位置是根據這些測量值的最佳擬合來計算的，如圖 1.5d 所示。

雖然這是三邊測量的標準定義，但在 GNSS 的情況下，接收器不會測量到衛(wèi)星的真實距離，而是由于時鐘偏差誤差而測量偽距。事實上，需要第四次偽距測量來同時確定估計位置和估計時鐘偏差。請注意，在估計時鐘偏差時，也會考慮由于天線與其接收器之間的電纜長度引起的延遲，因此電纜長度不會影響定位結果。

每秒脈沖 (PPS)

GNSS 接收器使用精度較低的時鐘，然后使用從衛(wèi)星發(fā)送到接收器的信號中的特定定時消息來遵守 GPS 時間。一旦與 GPS 時間同步，接收器就可以在 GPS 時間的每秒頂部輸出一個脈沖每秒信號（PPS）。由于 GPS 時間的前一秒與 UTC 時間的前一秒相同，因此該輸出可用于許多不同的計時應用，精度約為 10 納秒。

首次修復時間 (TTFF)

首次定位時間是 GNSS 接收器從衛(wèi)星獲取信號、執(zhí)行三邊測量并獲得位置解（有時稱為 GNSS 定位）所需的持續(xù)時間。該時間長度取決于 GNSS 接收器的啟動方式。接收器可以使用冷啟動、熱啟動或熱啟動來啟動。如表 1.5 所示，這三種不同類型的初創(chuàng)公司具有不同數量的信息可供接收器在獲取 GNSS 定位的過程中使用。

冷啟動需要最長的時間才能獲得 GNSS 定位，因為接收器不掌握有關衛(wèi)星位置的信息，并且必須完成 30 秒的星歷數據下載。熱啟動比冷啟動花費的時間更少，因為它已經具有有效的年歷數據，但是，它并沒有快多少，因為它仍然必須等待獲取星歷數據。熱啟動所需的時間最短，通常只需幾秒鐘，因為接收器已經具有有效的年歷數據、星歷數據和時間。

GNSS 接收器啟動類型（表 1.5）

啟動	存儲的接收器數據	例子
冷啟動	無可用信息	GNSS 接收器首次打開，或者距離上次打開接收器已有很長時間。
熱啟動	接收器僅具有有效的年歷數據	關閉一天后打開接收器。
熱啟動	接收器具有有效的年歷數據、星歷數據和時間	當接收器關閉時間少于四個小時時打開接收器。需要持續(xù)的備用電源來維持時鐘。