GNSS全球卫星导航系统相关技术

news2024/11/17 21:19:10

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。
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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:
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根据立体几何可知,卫星和用户之间的距离 Δ L \Delta L ΔL(该距离被称为“伪距”):
Δ L = ( x − x ′ ) 2 + ( y − y ′ ) 2 + ( z − z ′ ) 2 \Delta L=\sqrt{(x-x^{\prime})^{2}+(y-y^{\prime})^{2}+(z-z^{\prime})^{2}} ΔL=(xx)2+(yy)2+(zz)2
卫星的坐标 ( x ′ , y ′ , z ′  ) (x^\prime,y^\prime,z^\prime\text{ )} (x,y,z ) 是已知的,用户的坐标 ( x , y , z ) (x,y,z) (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 t t。假设用户终端的时间是 t ′ t^\prime t,那么,卫星和用户之间的距离 Δ L \Delta L ΔL,又可以通过下面这个公式算出:
Δ L = ( t − t ′ ) ⋅ c \Delta L=\left(t-t^{\prime}\right)\cdot c ΔL=(tt)c
两个公式一合并,可得:
( t − t ′ ) ⋅ c = ( x − x ′ ) 2 + ( y − y ′ ) 2 + ( z − z ′ ) 2 (t-t^{\prime})\cdot c=\sqrt{(x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2+(z-z^{\prime})^2} (tt)c=(xx)2+(yy)2+(zz)2
一个公式里有4个未知数 ( x , y , z , t ) (x, y, z, t) (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)
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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。
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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。
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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。
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