GNSS 代表全球導航衛星係統。全球導航衛星係統(GNSS) 由一組以特定軌道繞地球運行的衛星組成。為(wei) 了覆蓋全球，估計一個(ge) 星座需要18至30顆衛星。導航衛星向專(zhuan) 門設計用於(yu) 接收這些衛星信號並解碼信號消息內(nei) 容的無線電接收器提供軌道信息和準確的授時（和其他服務）。利用來自至少四顆“可見”衛星的消息內(nei) 容，可以使用稱為(wei) 三邊測量的數學過程來計算地球表麵大部分或附近的位置。
GNSS 通常被稱為(wei) GPS（全球定位係統），但該縮寫(xie) 實際上特指美國星座。世界各國政府提供了多個(ge) GNSS 星座，包括：
• 北鬥 -- 中國
• 伽利略 -- 歐盟
• 格洛納斯 -- 俄羅斯
• GPS（原 Navstar GPS）-- 美國
此外，還有一些其他係統僅(jin) 設計用於(yu) 服務特定區域，而不是提供全球服務。這些被稱為(wei) RNSS（區域導航衛星係統），包括：
• IRNSS -- 印度（也稱為(wei) NavIC）
• QZSS -- 日本
有幾個(ge) GNSS 衛星星座繞地球運行。每個(ge) 都提供各個(ge) 大陸地區的定位數據
如今，大多數 GNSS 接收器可以同時接收和解碼來自多個(ge) 衛星星座的信號。這意味著它們(men) 可以在全球範圍內(nei) 立即部署，並且可以比僅(jin) 限於(yu) 單個(ge) GNSS 星座的接收器提供更廣泛的用途。
美國全球定位係統（GPS）最初稱為(wei) “Navstar GPS”，是第一個(ge) 投入使用的衛星導航係統。全球定位係統 (GPS) 的發展始於(yu) 70 年代初，第一顆衛星於(yu) 1978 年發射。最初的用途是作為(wei) 定位和定位係統用於(yu) 軍(jun) 事目的，隨後 GPS [部分] 向民用和商業(ye) 開放使用。
提供全球覆蓋的完整 24 顆衛星星座於(yu) 1993 年投入運行。從(cong) 那時起，GPS 和其他 GNSS 星座的使用已成為(wei) 大量商業(ye) 、國防和民用應用和服務的代名詞，這些應用和服務繼續影響著全球經濟的許多方麵。我們(men) 的生活。
GNSS 有兩(liang) 個(ge) 主要用途：
• 位置確定
• 定時
物體(ti) 的位置是其緯度（距赤道的距離）、經度（距英國格林威治子午線的距離）以及平均海平麵以上（或以下）的海拔。這就是所謂的“絕對位置”。當能夠同時清晰地接收到四顆（或更多）GNSS衛星的信號時，就可以確定GNSS接收機的絕對位置。在動態應用中，例如移動車輛，當車輛移動時 GNSS 接收器的位置在一段時間內(nei) 已知時，跟蹤和導航應用就成為(wei) 可能。
GNSS 衛星通過無線電波發送的信號中編碼有極其準確的時間戳（和其他信息）。這是通過在每顆衛星上使用極其精確（且成本非常高）的原子鍾來實現的。一旦 GNSS 接收器確定了其位置（這是一個(ge) 要求），GNSS 接收器就會(hui) 將其內(nei) 部（不太精確）時鍾與(yu) 衛星時鍾同步。通過保持同步，GNSS 接收器時鍾被認為(wei) 具有非常準確的定時源。許多行業(ye) 現在嚴(yan) 重依賴這些高精度 GNSS 接收器時鍾，包括銀行、證券交易所、電信公司和電力供應商。
使用 GNSS 星座來確定位置是基於(yu) 三邊測量原理。三邊測量與(yu) 三角測量的不同之處在於(yu) ，它使用直接測量多個(ge) 點的距離來確定位置，而三角測量則測量會(hui) 聚的固定點的角度來確定位置。GNSS 接收器根據接收器與(yu) 多個(ge) 衛星的距離，使用三邊測量來計算其在地球上的位置。
來自單個(ge) 衛星的信號提供了一個(ge) 圓形區域周圍某個(ge) 點的大致位置，該區域覆蓋了地球表麵的大約 35%，這是一個(ge) 巨大的區域。請注意，該位置不在覆蓋區域內(nei) ，而是在周界內(nei) ，因為(wei) 到衛星的距離是已知長度，並且周界內(nei) 的任何位置都將是不同的更短的距離。當可以看到第二顆衛星時，該衛星的覆蓋範圍將與(yu) 第一顆衛星的覆蓋範圍重疊。這意味著 GNSS 接收器位於(yu) 覆蓋區域周邊的兩(liang) 個(ge) 交點之一。當第三顆衛星可以看出，所有三個(ge) 覆蓋區域周長的交點將是 GNSS 接收器的位置。即 GNSS 接收器在地球表麵的精確二維（經度 - X 和緯度 - Y 坐標）位置。
當可以看到第四顆衛星時，可以使用 XY 坐標和第四顆衛星的附加“線”通過三角法確定海拔或高度（可以說，該距離越短，海拔越高）。
GNSS 接收器現在具有三維定位；即 XY 坐標加上高度/標高 (Z)。可見的衛星越多，就越容易以更高的精度確定位置。
描繪三邊測量工作原理的圖像。 GNSS 接收器的位置位於(yu) 第一個(ge) 衛星覆蓋區域周邊的某個(ge) 位置。
當可以看到第二顆衛星時，該位置必須位於(yu) 周界相交的兩(liang) 個(ge) 點之一。
當第三顆衛星可見時，所有三個(ge) 覆蓋範圍的交點就是二維位置，並且忽略剩餘(yu) 的交點。第四顆可見衛星可以計算海拔/高度。
GNSS 接收器隻有知道以下條件才能執行三邊測量並提供準確的位置：
• 衛星在哪裏，
• 衛星發送信號的確切時間，以及
• 收到信號的確切時間
前兩(liang) 個(ge) 要求很容易理解，因為(wei) 衛星在其軌道上的位置和信號發送時間的信息包含在衛星發送的信號中。
第三個(ge) 要求更加複雜，因為(wei) GNSS 接收器內(nei) 部的時鍾精度相對較低。這是由於(yu) GNSS 接收器的尺寸、重量、功耗和成本限製——為(wei) GNSS 接收器配備像 GNSS 衛星中使用的原子鍾一樣的原子鍾是不可行的。在測量以光速傳(chuan) 播的信號的到達時間時，低成本接收器時鍾根本不夠準確 - 千分之一秒的時鍾計時誤差就相當於(yu) 300 公裏的位置誤差。
顯然，需要一種解決(jue) 接收器時鍾精度問題的方法。幸運的是，基本的代數原理開始發揮作用：我們(men) 可以說在計算位置時需要解決(jue) 四個(ge) 未知數：緯度、經度、海拔和接收器時鍾誤差。這可以寫(xie) 成這樣：
位置=緯度+經度+海拔+時鍾誤差
沒有必要在數學上進一步深入研究這個(ge) 問題，但隻要說如果我們(men) 同時測量四個(ge) （或更多）不同衛星，我們(men) 就可以用四個(ge) 未知數求解我們(men) 的位置方程。
GNSS 衛星位於(yu) 約 20,000 公裏的中地球軌道 (MEO) 上，這意味著它們(men) 大約每 12 小時繞地球一圈。由於(yu) 需要始終看到至少四顆不同的衛星才能獲得位置，因此經計算，一個(ge) 星座中至少需要 24 顆衛星才能提供 24/7 的全球服務。
各個(ge) 衛星被分組到軌道平麵中，通常可以優(you) 化人口稠密地區的能見度。例如，這意味著無法保證北極和南極地區始終有至少四顆衛星可見。
一些 GNSS 星座在軌運行的衛星超過 24 顆。美國GPS係統目前有35顆。額外的衛星有些被指定為(wei) 備用衛星以達到冗餘(yu) 目的，有些則用於(yu) 補充特定軌道平麵以提高服務可靠性和準確性。
從(cong) 太空衛星發送到 GNSS 接收器的信號很複雜，並且結構和頻率各不相同。使用不同的頻率來提高信號可靠性、信號精度和係統冗餘(yu) 。例如，由於(yu) 信號波長不同，某些信號頻率更適合穿過樹木。此外，通過同時使用多個(ge) 頻率，現代多頻 GNSS 接收器可以通過測量信號在大氣中傳(chuan) 播的差異來提高定位精度，並有效地將其作為(wei) 誤差源消除。下麵列出了一些 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
• 北鬥：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（有時重疊）的頻率之外，信號信息還以許多不同的方式調製到載波頻率上。詳細介紹各種調製方法背後的數學知識超出了本文的範圍，對於(yu) 一般用戶來說也沒有必要了解，但作為(wei) 示例，伽利略係統在其信號中使用了這些方法：
• 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)
不同的調製方法旨在最大限度地提高解調過程中的信噪比，同時避免來自自身衛星和其他 GNSS 衛星的其他信號的幹擾。
最後，應該指出的是，GNSS 衛星廣播的一些信號被故意加密，以確保其使用受到限製。這些信號最常見的用例是軍(jun) 方使用的高精度信號。
通常來說，僅(jin) 使用 GNSS 和商業(ye) 級 GNSS 接收器即可提供約 2 至 5 m 半徑內(nei) 的定位精度。在車輛導航係統和電話定位等非關(guan) 鍵應用中，5 m 以內(nei) 可能是可以的。對於(yu) 需要非常高的精度的應用，例如測量和地理空間應用，預計位置精度約為(wei) 10 毫米。
在導航中，準確性和精密度雖然看似相似，但並不是同一回事。準確度純粹是導航係統估計自身與(yu) 絕對位置的接近程度。另一方麵，精度更多地與(yu) 係統的可重複性或一致性有關(guan) 。理想情況下，GNSS 接收器可提供準確度和精確度。
描繪準確度和精確度的圖像 – ( A ) 既不準確也不精確； ( B ) 精確但不準確； ( C )準確但不精確； ( D ) 既精確又準確
有許多因素限製（或可能限製）GNSS 的使用。主要因素是 GNSS 接收器從(cong) 各個(ge) 衛星接收到的信號接收不完善。 GNSS 的惡意無線電幹擾（稱為(wei) 欺騙或幹擾）會(hui) 破壞信號，使其無法連貫地接收，這需要采取戰略方法來克服，這超出了本文的範圍。
除了幹擾和欺騙或其他意外情況之外，還有幾種現象可能會(hui) 導致信號接收不完美：
| 錯誤類型 | 範圍 | 解釋 |
GNSS 電離層誤差
| ±5m | 信號傳播延遲——高層大氣中充滿了電離太陽輻射產生的電子，這些電子可以“彎曲”並反射無線電波。 |
GNSS 軌道誤差
| ±2.5m | 位置漂移——與時鍾一樣，衛星軌道位置的微小誤差在用於地球上的位置計算時會變得更大。 |
GNSS 時鍾誤差
| ±2m | 定時漂移——由於距離的原因，衛星時鍾精度中的微小定時誤差在地球上會變成更大的誤差。 |
GNSS 多路徑誤差
| ±1m | 由於建築物和地形等物體的反射而導致信號複製。 |
GNSS 對流層誤差
| ±0.5m | 信號傳播延遲——低層大氣比其他大氣層密度大得多，可以折射無線電波。 |
GNSS 接收機噪聲誤差
| ±0.3m | GNSS 接收器硬件和軟件引起的信號噪聲會影響感知信號的準確性。 |
上述誤差源可以大致歸類為(wei) 延遲信號的影響，從(cong) 而導致信號接收時序問題。例如，當接收到反射信號而不是原始視線信號時，這種情況在密集的城市地區很常見，因為(wei) 高層建築形成了“城市峽穀”。當然，信號完全阻塞（例如在隧道、地下或水下）會(hui) 導致所有衛星信號完全丟(diu) 失。
高度複雜的現代 GNSS 接收器可以使用優(you) 雅的數學技術巧妙地處理其中一些問題，以確定遇到的錯誤類型並根據需要應用偏移或校正。其中一些功能正在進入成本較低的商品 GNSS 接收器，例如手機中的接收器。盡管有能力糾正一些信號接收錯誤，但當所有衛星信號完全丟(diu) 失時，唯一真正的解決(jue) 方案是采用慣性導航係統(INS) 來估計隧道內(nei) 的位置計算。這稱為(wei) 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。主要手段是安裝地麵基站作為(wei) GNSS 的地球參考。基站和 GNSS 誤差校正服務的目標是建立 GNSS 接收器相對於(yu) 地球表麵絕對位置的真實路徑，或盡可能接近其真實路徑。
基站接收GNSS信號，並利用先進的測量技術精確計算到可觀測衛星的距離，從(cong) 而計算出GNSS信號誤差；例如，電離層延遲。每個(ge) 基站進行的所有測量和糾錯數據都會(hui) 被記錄並存檔。該數據用於(yu) 各種糾錯解決(jue) 方案，其中一些概述如下：
• 實時運動學 (RTK) – GNSS 接收器使用來自固定基站的數據廣播來消除一係列錯誤。通過從(cong) GNSS 接收器到兩(liang) 個(ge) 或更多衛星以及從(cong) 基站到相同衛星的不同測量來消除誤差。 RTK 可能涉及更高的初始成本和校正服務許可，但可以提供約 10 毫米的精度。
• 衛星增強係統 (SBAS) – 地麵參考站網絡，根據多個(ge) 參考位置的衛星觀測，通過對地靜止衛星提供衛星時鍾、星曆和信號傳(chuan) 播校正。
• 精確單點定位 (PPP) –配備高精度 GNSS 接收器和天線的地麵參考站網絡，可連續跟蹤 GNSS 信號和廣播。然後將處理後的衛星軌道和時鍾數據廣播給 PPP 用戶，以提供約 10 毫米的精度。
• 後處理運動學 (PPK) – 處理未校正（“原始”）導航數據以達到相當於(yu) 甚至優(you) 於(yu) RTK 精度的軟件或在線服務。重要的是，PPK 適合不需要實時校正的應用；例如，無人機測量任務。
星基增強係統 (SBAS) 和精密單點定位 (PPP) 是提高全球導航衛星係統 (GNSS) 信號的準確性、完整性和可靠性的技術。 SBAS和PPP的主要目標是提供準確可靠的定位解決(jue) 方案，可用於(yu) 航空、航海、陸地測量和基於(yu) 位置的服務等各種應用。
SBAS 是一種利用地麵參考站、衛星鏈路和處理設施組成的網絡來確定由各種大氣和環境因素引起的 GNSS 誤差的技術。然後，計算出的誤差通過地球靜止衛星廣播給用戶，使用戶能夠應用必要的 GNSS 校正因子並提高係統精度。 SBAS 旨在提供一係列服務，包括準確性、完整性、可用性和連續性，以滿足各種應用（主要是飛機）的需求。如果 GNSS 信號不可靠，SBAS 還會(hui) 向用戶發出警告。這對於(yu) 航空和航海等安全關(guan) 鍵型應用尤其重要。
使用最廣泛的SBAS係統是美國的“廣域增強係統”（WAAS）、歐洲的“歐洲對地靜止導航覆蓋服務”（EGNOS）以及美國的“多功能衛星增強係統”（MSAS）。日本。 SBAS的主要局限性是單個(ge) 係統僅(jin) 覆蓋特定區域，無法覆蓋全球。
PPP是一種無需本地參考站或實時校正即可實現厘米級精度的技術。它使用配備高精度 GNSS 接收器和天線的地麵參考站網絡，持續跟蹤來自 GNSS 衛星的信號。然後使用稱為(wei) “整數模糊度解析”的技術處理這些參考站收集的數據，以確定每顆衛星的精確軌道和時鍾信息。
一旦計算出精確的軌道和時鍾信息，就會(hui) 通過互聯網或衛星鏈路等各種方式向 PPP 用戶廣播。需要額外的通信通道是使用 PPP 的主要限製。
PPP 在當地參考站不可用或不實用的應用中特別有用，例如測量、精準農(nong) 業(ye) 和大地測量。 PPP還可以與(yu) SBAS結合使用，進一步提高GNSS信號的精度。
PPP和SBAS可以結合使用，提供高精度定位解決(jue) 方案。 PPP 可以提供基線解決(jue) 方案，然後使用 SBAS 校正信息對其進行細化。這被稱為(wei) PPP-RTK，即實時運動學，它將 PPP 的高精度與(yu) SBAS 提供的實時校正信息相結合。 PPP-RTK 在需要實時高精度定位但本地參考站不可用或不實用的應用中特別有用，使其適用於(yu) 精準農(nong) 業(ye) 、建築和機器控製等應用。
• 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳(chuan) 感器
• 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳(chuan) 感器
• 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導航係統
• Advanced Navigation Spatial MEMS GNSS/INS 傳(chuan) 感器
• Advanced Navigation Certus Evo MEMS GNSS/INS 傳(chuan) 感器
• Advanced Navigation Spatial FOG Dual FOG GNSS/INS 傳(chuan) 感器
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