【解析】物聯(lián)網(wǎng)之衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

1、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也叫全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通俗一點(diǎn)解釋就是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，獲取地球上任意點(diǎn)的位置信息，包括時間、經(jīng)緯度、海拔、速度等信息。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國的全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。其中GPS是世界上第一個建立并用于導(dǎo)航定位的全球系統(tǒng)，2020年中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)完成全球覆蓋?！?/p>

除四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)外，還有日本的QZSS(準(zhǔn)天頂系統(tǒng)）、印度的RNSS區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，只能為區(qū)域提供定位服務(wù)。

因?yàn)镚PS的首發(fā)時間優(yōu)勢，以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用原理十分接近，部分場合稱呼衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都叫GPS，只是習(xí)慣問題，并非單指美國的GPS系統(tǒng)，本文部分描述也是基于這個習(xí)慣，請注意區(qū)分。

2、系統(tǒng)的構(gòu)成

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成基本相同，以美國GPS為例。

2.1 控制部分

GPS控制部分由1個主控站，5個監(jiān)測站和3個注入站組成。控制部分主要用于監(jiān)測和控制衛(wèi)星運(yùn)行，編算衛(wèi)星星歷（導(dǎo)航電文），保持系統(tǒng)時間。

主控站：從各個監(jiān)控站收集衛(wèi)星數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和時鐘修正參數(shù)等，并通過注入站注入衛(wèi)星；向衛(wèi)星發(fā)布指令，控制衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，調(diào)度備用衛(wèi)星。

監(jiān)控站：接收衛(wèi)星信號，檢測衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)，收集天氣數(shù)據(jù)，并將這些信息傳送給主控站。

注入站：將主控站計(jì)算的衛(wèi)星星歷及時鐘修正參數(shù)等注入衛(wèi)星。

2.2 空間部分

GPS空間部分主要由24顆GPS衛(wèi)星構(gòu)成，其中21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星運(yùn)行在6個軌道平面上，運(yùn)行周期為12個小時。保證在任一時刻、任一地點(diǎn)高度角15度以上都能夠觀測到4顆以上的衛(wèi)星。衛(wèi)星在太空中會公布它的坐標(biāo)位置，并且不停地發(fā)送導(dǎo)航電文。

2.3 用戶部分

終端設(shè)備如手機(jī)，開啟GPS功能被動接收衛(wèi)星信號用于導(dǎo)航定位。接收GPS信息同收聽收音機(jī)廣播一樣，本身是免費(fèi)的，廣播信號被收或者不收，它都在那發(fā)射。獲取GPS信息的費(fèi)用在硬件芯片，終端用戶無需付費(fèi)。

3、衛(wèi)星定位原理

假如告知某人，距離北京1000km，可知其所在位置是以北京為圓心，半徑大約1000km的圓上；再告知其距離上海也是大約1000km，同樣道理可知其在兩圓心相交的區(qū)域；再告知其距離廣州也在1000km左右，則縮小范圍，大概是湖北神農(nóng)架，傳說有野人的神秘區(qū)域。

同樣的道理，接收機(jī)也是根據(jù)多顆衛(wèi)星到其距離的相交的球面某點(diǎn)，距離是衛(wèi)星信號到接收器的時間乘以光速，多顆衛(wèi)星的距離范圍相交點(diǎn)即為接收器位置。

衛(wèi)星廣播的導(dǎo)航電文是由一組反映衛(wèi)星在空間的運(yùn)行軌道、衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)、電離層延遲改正參數(shù)及衛(wèi)星的工作狀態(tài)等信息的二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)，也稱為數(shù)據(jù)碼。接收機(jī)獲得了GPS衛(wèi)星發(fā)送的廣播星歷，從星歷參數(shù)中求解得到衛(wèi)星坐標(biāo)，以及時間戳用于計(jì)算距離。

理論上3顆衛(wèi)星可定位，實(shí)際接收器的時鐘精度有限，10的-6次方秒，即1微秒誤差會產(chǎn)生300米的位置偏差，這個精度要求對接收器來說存在巨大成本壓力，因此多加1顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)去求解接距離差，也就是實(shí)現(xiàn)3D定位（經(jīng)度、緯度、海拔）至少需要4顆衛(wèi)星，多多益善。

4、影響定位精度的因素

影響定位精度的因素，也就是對衛(wèi)星與接收器距離計(jì)算有影響的不利條件。

4.1 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

1，衛(wèi)星星歷誤差

2，衛(wèi)星鐘差

3，相對論效應(yīng)的影響

4.2 與傳播途徑有關(guān)的誤差

1，電離層折射

2，對流層折射

3，多路徑效應(yīng)

4.3 與接收機(jī)有關(guān)的誤差

1，由于熱噪聲、軟件和各通道之間的偏差引起的觀測值誤差

2，接收機(jī)鐘差

3，接收機(jī)周圍環(huán)境帶來的誤差

在普通用戶的角度，主要是傳播途徑誤差，也就是環(huán)境影響，如天氣（云層、雨雪、磁場）、建筑（高樓）、金屬（車載定位器汽車外殼，含金屬的保護(hù)膜），這些因素會降低信號強(qiáng)度，或者導(dǎo)致多徑效應(yīng)影響直線距離偏差，最終影響定位精度。尤其是接收機(jī)靜止時，影響更明顯，俗稱靜態(tài)漂移，只能通過信號強(qiáng)度或者其他傳感器（如加速度、角速度）來過濾可疑點(diǎn)。

4.4 地圖加密

經(jīng)緯度映射到地圖顯示位置，在國內(nèi)因?yàn)檎呖紤]，須進(jìn)行特殊處理，否則經(jīng)緯度對應(yīng)的地圖位置，與實(shí)際位置存在較大偏差。

國際上采用的地心坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向BIH （國際時間服務(wù)機(jī)構(gòu)）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP)方向，X軸指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系，稱為1984年世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)。

GCJ-02 是由中國國家測繪局（G表示Guojia國家，C表示Cehui測繪，J表示Ju局）制訂的地理信息系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，在WGS84經(jīng)緯度的基礎(chǔ)上執(zhí)行加密算法而成，原始經(jīng)緯度直接在 GCJ-02 坐標(biāo)系下會定位到錯誤的地點(diǎn)，有種到了火星的感覺，因此也將 GCJ-02 戲稱為火星坐標(biāo)系。這是國家測繪局的國土安全考慮，國內(nèi)如百度地圖、高德地圖等都需遵守，對實(shí)際位置服務(wù)，就需將原始經(jīng)緯度進(jìn)行轉(zhuǎn)換再映射到地圖坐標(biāo)，也就是地圖糾偏。

5、提高定位精度

單點(diǎn)定位或絕對定位，就是通過一個接收器來確定位置，可通過對大量觀測數(shù)據(jù)的分析、擬合而建立起來的經(jīng)驗(yàn)公式，削弱因相對論效應(yīng)、電離層延遲、對流層延遲、衛(wèi)星鐘差。簡單說就是單機(jī)持續(xù)工作再通過軟件算法提高精度。

5.1 差分定位

定位精度較高的是差分定位，或稱相對定位，通過增加一個參考接收器來提高定位精度。利用兩臺接收器同時觀測衛(wèi)星信號，在一臺接收器位置已知的情況下，可以算出此時此刻此區(qū)域的信號修正值，然后將該值同步更新到另一臺接收器，輔助算出一個準(zhǔn)確程度非常高的位置。

簡單理解為已知參考點(diǎn)甲坐標(biāo)100，但實(shí)際測到101，則可知此時此刻此地因?yàn)橥饨绺蓴_會導(dǎo)致結(jié)果比實(shí)際大1，那么在附近的乙測得坐標(biāo)為98，那實(shí)際可以糾正為97。

5.2 地基增強(qiáng)系統(tǒng)

差分定位原理擴(kuò)展后，可以在地面建立分布建立衛(wèi)星觀測站參考點(diǎn)，不斷根據(jù)測量位置與已知實(shí)際位置的偏差值更新，通過網(wǎng)絡(luò)交換告知周圍的接收器，用于校準(zhǔn)糾偏，提高定位精度。這種在方式稱為地基增強(qiáng)系統(tǒng)。例如千尋位置、全圖通、中海北斗等也是類似原理，將地基增強(qiáng)系統(tǒng)的糾偏信息保存在服務(wù)器，其他定位終端通過網(wǎng)絡(luò)獲取參考信息，來提高定位精度，但這不是免費(fèi)的，而且應(yīng)用范圍有限；對接收器也需具備下載高精度定位參考信息的能力，如支持移動通信網(wǎng)絡(luò)，這也是成本。

5.3 星基增強(qiáng)系統(tǒng)

有地面有增強(qiáng)系統(tǒng)，同樣有天空版本，即星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite Based Augmentation Systems  SBAS)。利用地球靜止軌道衛(wèi)星建立的地區(qū)性廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)。SBAS 系統(tǒng)主要由地面參考基站，主控站，上傳站和地球同步衛(wèi)星四部分組成，通過衛(wèi)星發(fā)布包括衛(wèi)星星歷誤差改正、衛(wèi)星鐘差改正和電離層改的信息，接收機(jī)直接以此參考信息進(jìn)行校準(zhǔn)，這種方式對接收器要求低，但是定位精度提高有限。

目前全球發(fā)展的SBAS系統(tǒng)

歐空局接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(EGNOS)，覆蓋歐洲大陸；

美國的DGPS(Differential GPS)，美國雷聲公司的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)，覆蓋美洲大陸； 

日本的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS），覆蓋亞洲大陸；

印度的GPS輔助型靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航（GAGAN）

5.4 雙頻定位

雙頻定位，根據(jù)兩個不同頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，從而提供更準(zhǔn)確的定位信息。

以GPS為例，其發(fā)射導(dǎo)航電文載波頻率是.L1的頻段1575.42MHz，L5頻段的1176.45MHz，L5的波長更長，傳輸衰減更小，因此同樣環(huán)境下信號達(dá)到地面的功率更高。同樣條件L5信號比L1信號的功率高6dB也就是4倍左右。電離層折射產(chǎn)生定位誤差，支持L1、L5雙頻的接收機(jī)可以用兩種頻率的觀測值加以組合來進(jìn)行修正。支持雙頻可以提高定位精度，尤其是空曠地方，但弱信號區(qū)域效果不太明顯。

6、加快定位速度

接收器需要至少收到4顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文才能3D定位，在任意位置和任意時間，因?yàn)榻邮掌鲗Ξ?dāng)前衛(wèi)星的分布情況完全未知，只能逐個掃描，這樣稱為冷啟動，一般情況下搜尋定位需40s。熱啟動是在附近2小時內(nèi)曾定位過，再次啟動時，接收器根據(jù)緩存的衛(wèi)星信息和時間推算，以此為參考提高搜星的效率，一般情況下小于3秒。冷啟動與熱啟動中間的狀態(tài)啟動稱為溫啟動。

溫啟動和冷啟動定位慢，是因?yàn)榻邮諜C(jī)內(nèi)無當(dāng)前衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，若采用其他方式如移動通信網(wǎng)絡(luò)，將當(dāng)前的衛(wèi)星星歷告知接收機(jī)，接收機(jī)可以有針對性的搜索，提高定位效率，該方案俗稱輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Assisted Global Positioning System，簡稱AGPS）。

AGPS一般為接收機(jī)提供當(dāng)前UTC時間、當(dāng)前大概位置、星歷數(shù)據(jù)三種，根據(jù)這些信息，接收機(jī)推導(dǎo)運(yùn)算得出此時此地的衛(wèi)星信息，有針對的掃描，因此定位速度快，但不能提高定位精度。

AGPS可加快定位速度，是基于當(dāng)前即使沒有AGPS輔助也能定位的場合，假如在室內(nèi)不可能定位的場合，即使正確的注入AGPS數(shù)據(jù)也是完全無用。

AGPS提供的星歷根據(jù)其有效期分為在線版和離線包，在線版表示注入的數(shù)據(jù)一般2小時內(nèi)有效，離線包有效期比較長，但是隨著時間推移其效果是逐漸減弱的；而且離線包一般較大，比較耗流量。

目前芯片廠家免費(fèi)提供AGPS星歷數(shù)據(jù)，接收機(jī)通過TCP或者h(yuǎn)ttp下載，傳聞未來將統(tǒng)一開始收費(fèi)。AGPS功能的前提是接收器具備聯(lián)網(wǎng)功能，如果無法聯(lián)網(wǎng)，也可以每2小時內(nèi)定時開啟衛(wèi)星定位，更新芯片內(nèi)緩存，且不斷電清緩存，缺點(diǎn)是平均功耗大。

7、NMEA協(xié)議

NMEA 是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association ）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的 RTCM 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。每種都是獨(dú)立相關(guān)的 ASCII 格式，使用逗號隔開數(shù)據(jù)，NMEA 實(shí)際上已成為所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)通用的數(shù)據(jù)輸出格式。

NMEA-0183 協(xié)議定義的語句非常多，但是常用的或兼容性最廣的語句如下

前面提到，目前全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有四種，美國的全球定位GPS、俄羅斯的格洛納斯GLONASS、歐盟的伽利略GALILEO和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS。一般定位芯片支持至少1種定位系統(tǒng)，但不管支持哪些系統(tǒng)，輸出的NMEA數(shù)據(jù)格式都是統(tǒng)一的。差異只是關(guān)鍵字前面的前2字符，例如RMC包，單GPS的為GPRMC，單格洛納斯為GLRMC，單伽利略為GARMC，單北斗的為BDRMC（個別芯片是GBRMC），包含多個系統(tǒng)信息組合的則為GN開頭，如GNRMC。后面部分格式、含義則完全相同。

8、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，與普通大眾相關(guān)的諸如滴滴打車，司乘雙方定位與目的地導(dǎo)航；美團(tuán)外賣，搜索附近店鋪以及送餐到家；長途自駕的高德導(dǎo)航、百度地圖；汽車防盜、人員追蹤的定位器。衛(wèi)星導(dǎo)航、位置服務(wù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，未來高精度定位、萬物互聯(lián)具有一定的市場價值。