【WQ资讯081】，全球卫星导航系统，GNSS及相关介绍，（魏群“数字图形介质理论”杂谈）（22.03.22）

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【前言】

前一节美篇介绍了大地坐标系和空间坐标系，可为了让研究生和有兴趣者能连续充实当前的热门GIS 知识，所以还得再写两篇文章，能自然地引入到图形学和视覚学的课程及应用之中。 不当之处批评指正。

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17 全球导航卫星系统

北斗和大家更为熟悉的GPS，都属于全球导航卫星系统，也就是GNSS（Global Navigation Satellite System）。同样具备全球覆盖能力的GNSS系统，还包括俄罗斯的GLONASS和欧洲的Galileo。

除了全球性的卫星系统之外，GNSS还包括一些区域性的系统（例如日本的准天顶系统QZSS和印度的IRNSS），以及增强系统（例如美国的WAAS、日本的MSAS和欧盟的EGNOS等）。增强系统，是基于全球或区域系统的辅助系统，可以满足更多场景需求。

一个形象的动态GNSS介绍

18 GNSS的类别

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、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。是GNSS的必备功能。这三个信息，我们通常称之为PVT（Position Velocity and Time）。中国的北斗系统还有一个独特的功能，那就是短报文（也就是文字信息）。在关键时候，这个功能可以发挥很大的作用。

19 GNSS的工作原理 

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。

那么，我们把整个空间看成一个坐标系，可以画一个立方体。卫星和用户之间的距离△L（这个距离也被称为“伪距”）。卫星的坐标是（x’,y’,z’），这是已知的。用户的坐标是（x,y,z），这是未知的。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。假设用户终端的时间是t’，那么，卫星和用户之间的距离△L，又可以通过下面这个公式算出：

两个公式一合并，就变成了：

一个公式里有4个未知数（x,y,z,t），大家都懂的，这个公式是解不出来的。必须再找3个卫星的坐标值，组成4个四元方程，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，联立求解。

20 GNSS的关键技术 

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的时间，也称为TTFF（Time to First Fix）。

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。

21 A-GNSS手段

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。

22 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和网络RTK。

传统RTK模式，只有一个基准站。网络RTK模式，有多个基准站。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的覆盖范围很快，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。

然后是惯性导航技术。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。

23 双频技术。

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。

所谓双频，就是GNSS模组同时支持多个不同GNSS系统的不同频段，以此增强信号的接收能力。

经过数十年的发展，GNSS系统从当初的GPS一家独大，到现在变成GPS、北斗、GLONASS、伽利略等多系统共存，可以说是取得了长足的进步。如今的GNSS系统，已经具备提供全方位、全天候、高精度、高速率定位导航服务的能力。

GNSS变成了重要的国家级数字化基础设施，对推动数字经济发展有重要意义。