什麽是全球導航衛星係統（GNSS）

文章出處：新聞資訊責任編輯：开云体育网页登录發表時間：2024-10-08 15:17:14

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

1978年，美國發射了第一顆導航係統衛星。這導致了一個(ge) 由 24 顆衛星組成的全麵運行的星座，稱為(wei) NAVSTAR 全球定位係統，在 20 世紀 90 年代初開始運行。如今，該係統簡稱為(wei) 全球定位係統 (GPS)，其星座中包含 31 顆衛星。

CONSTELLATIONS

自從(cong) 美國發射第一個(ge) 全球導航衛星係統以來，其他幾個(ge) 國家也發射了類似的全球導航衛星係統星座。其中一些係統目前已可供使用，而另一些係統將在未來幾年內(nei) 全麵投入運行，如表 1.4 所示。

國際 GNSS 星座（表 1.4）

名稱	原產地	全麵投入運營	衛星數量	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
北鬥	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(ge) 不同的部分運行，即空間部分、地麵控製部分和用戶部分，如圖 1.3a 所示。空間段由放置在特定星座中的衛星本身組成，如圖 1.3b 所示。地麵控製部分利用世界各地的地球跟蹤站來管理整個(ge) 導航係統。美國 GPS 係統的這些站點的具體(ti) 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。

全球導航衛星係統（GNSS）示意圖

地麵控製部分跟蹤並監視衛星軌道、時鍾和健康狀況中的錯誤和偏差。該信息通過無線電信號發送到空間段。通過地麵控製部分跟蹤空間部分的軌道並向其上傳(chuan) 軌道修正的過程，衛星能夠高精度地知道它們(men) 所在的位置。然後，衛星將該信息傳(chuan) 輸回用戶段，在用戶段中對這些信息進行跟蹤、解碼並用於(yu) 確定用戶的位置、速度和時間。

GNSS 地麵控製站

圖：1.4 GNSS 地麵控製站

導航信息

地麵控製部分發送到衛星的信號然後發送到最終用戶，稱為(wei) 導航消息。 GPS 導航消息包含四個(ge) 主要部分：GPS 時間、衛星健康狀況、星曆和年曆。雖然本討論特定於(yu) 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 時間基於(yu) 能夠保持高精度時間的原子鍾。它以周數和周秒數指定。周數是一個(ge) 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，該計數器隻能存儲(chu) 從(cong) 0 到 1,023 的值，因此一旦在 1999 年 8 月 21 日到達第 1,024 周，然後又在2019年4月6日，周數回滾到0。周數的這個(ge) 回滾周期將繼續每1,024周重複一次。一周秒數是指本周的秒數，從(cong) 格林尼治標準時間周日中午 12:00 開始。

衛星健康

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

星曆表

星曆表包含特定於(yu) 傳(chuan) 輸導航消息的衛星的高精度軌道數據。該數據自地麵控製部分上傳(chuan) 至衛星起最多隻能在四個(ge) 小時內(nei) 使用。因此，地麵控製部分每四小時更新一次每顆衛星的星曆表。幸運的是，GPS 接收器從(cong) 衛星下載完整的星曆表隻需要大約 30 秒。

年鑒

年曆是空間段星座中每顆衛星的低精度星曆表的集合。該數據庫的更新頻率遠低於(yu) 星曆表，GPS 接收器大約需要 12.5 分鍾才能下載完畢。由於(yu) 年曆包含精度較低的星曆表，接收器主要使用此信息來確定哪些衛星很快就會(hui) 在地平線上可見並進行跟蹤。年曆還包含將 GPS 時間轉換為(wei) 協調世界時 (UTC) 所需的閏秒信息，因為(wei) UTC 比 GPS 時間滯後閏秒數。

偽距、載波相位、多普勒

GNSS 接收器跟蹤三個(ge) 原始可觀測值：偽(wei) 距、載波相位和多普勒。

偽距

為(wei) 了確定從(cong) 衛星到用戶的距離，GNSS 接收器測量信號從(cong) 衛星傳(chuan) 播到接收器所需的時間。由於(yu) 信號以光速傳(chuan) 播，因此接收器測量到的信號傳(chuan) 播時間的乘積（t）和光速（c) 等於(yu) 範圍 (r = t ⋅ c）。

然而，這種測量依賴於(yu) 高精度計時。接收器使用低端時鍾而不是原子鍾進行計時，導致與(yu) 真實 GPS 時間存在未知偏差。由於(yu) 這種時鍾偏差誤差，接收器測量的不是衛星的真實距離，而是偽(wei) 距（r）。偽(wei) 距是計算用戶位置和時間的基礎。

載波相位

從(cong) 衛星發送的信號包含稱為(wei) 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製的信息的其他信號。從(cong) 衛星到接收器的距離可以分解為(wei) 載波信號的整數個(ge) 全波長加上分數波長。該分數波長稱為(wei) 載波相位，可以直接測量。盡管獨立接收器無法估計整數個(ge) 波長，但載波相位可用於(yu) 多接收器技術（稱為(wei) RTK）（參見第 1.5節），以實現高精度定位。

多普勒

當 GNSS 接收器接收並跟蹤來自衛星的信號時，由於(yu) 用戶和繞地球軌道運行的衛星的聯合運動，信號的頻率似乎會(hui) 發生變化。這種頻率變化可用於(yu) 確定相對速度。多次多普勒頻移測量能夠為(wei) 用戶產(chan) 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於(yu) 確定 GNSS 接收器的位置、速度和時間 (PVT)。

三邊測量

雖然距離測量衛星和用戶之間的距離，但這種測量本身並不能提供用戶的位置。然而，如果能夠確定多個(ge) 衛星的距離測量，則可以使用稱為(wei) 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(cong) 衛星到用戶的距離測量來創建包含用戶所有可能位置的區域。在 3D 定位的情況下，這個(ge) 可能的區域是一個(ge) 半徑等於(yu) 距離測量值的球體(ti) ，以衛星位置為(wei) 中心，如圖 1.5a 所示。一旦確定了另一顆衛星的附加距離測量值，用戶可能的位置就可以縮小到球體(ti) 相交的圓，如圖 1.5b 所示。

為(wei) 了確定用戶的估計位置（精確到單個(ge) 點），必須計算對三個(ge) 不同衛星的至少三個(ge) 距離測量。這三個(ge) 範圍測量提供了用戶可能所處位置的三個(ge) 不同球體(ti) ，並且全部相交於(yu) 一點，如圖 1.5c 所示。實際上，由於(yu) 各種誤差，這些測量值中的每一個(ge) 都是不完美的，並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(yi) ，但在 GNSS 的情況下，接收器不會(hui) 測量到衛星的真實距離，而是由於(yu) 時鍾偏差誤差而測量偽(wei) 距。事實上，需要第四次偽(wei) 距測量來同時確定估計位置和估計時鍾偏差。請注意，在估計時鍾偏差時，也會(hui) 考慮由於(yu) 天線與(yu) 其接收器之間的電纜長度引起的延遲，因此電纜長度不會(hui) 影響定位結果。

每秒脈衝 (PPS)

GNSS 接收器使用精度較低的時鍾，然後使用從(cong) 衛星發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(yu) GPS 時間同步，接收器就可以在 GPS 時間的每秒頂部輸出一個(ge) 脈衝(chong) 每秒信號（PPS）。由於(yu) GPS 時間的前一秒與(yu) UTC 時間的前一秒相同，因此該輸出可用於(yu) 許多不同的計時應用，精度約為(wei) 10 納秒。

首次修複時間 (TTFF)

首次定位時間是 GNSS 接收器從(cong) 衛星獲取信號、執行三邊測量並獲得位置解（有時稱為(wei) GNSS 定位）所需的持續時間。該時間長度取決(jue) 於(yu) 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(wei) 接收器不掌握有關(guan) 衛星位置的信息，並且必須完成 30 秒的星曆數據下載。熱啟動比冷啟動花費的時間更少，因為(wei) 它已經具有有效的年曆數據，但是，它並沒有快多少，因為(wei) 它仍然必須等待獲取星曆數據。熱啟動所需的時間最短，通常隻需幾秒鍾，因為(wei) 接收器已經具有有效的年曆數據、星曆數據和時間。

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曆數據	關閉一天後打開接收器。
熱啟動	接收器具有有效的年曆數據、星曆數據和時間	當接收器關閉時間少於四個小時時打開接收器。需要持續的備用電源來維持時鍾。