GNSS 代表全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)。全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS) 由一組以特定軌道繞地球運行的衛(wèi)星組成。為了覆蓋全球，估計一個星座需要18至30顆衛(wèi)星。導航衛(wèi)星向專門設計用于接收這些衛(wèi)星信號并解碼信號消息內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(wèi)星的消息內容，可以使用稱為三邊測量的數(shù)學過程來計算地球表面大部分或附近的位置。
GNSS 通常被稱為 GPS（全球定位系統(tǒng)），但該縮寫實際上特指美國星座。世界各國政府提供了多個 GNSS 星座，包括：
? 北斗 -- 中國
? 伽利略 -- 歐盟
? 格洛納斯 -- 俄羅斯
? GPS（原 Navstar GPS）-- 美國
此外，還有一些其他系統(tǒng)僅設計用于服務特定區(qū)域，而不是提供全球服務。這些被稱為 RNSS（區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)），包括：
? IRNSS -- 印度（也稱為 NavIC）
? QZSS -- 日本
有幾個 GNSS 衛(wèi)星星座繞地球運行。每個都提供各個大陸地區(qū)的定位數(shù)據(jù)
如今，大多數(shù) GNSS 接收器可以同時接收和解碼來自多個衛(wèi)星星座的信號。這意味著它們可以在全球范圍內立即部署，并且可以比僅限于單個 GNSS 星座的接收器提供更廣泛的用途。
美國全球定位系統(tǒng)（GPS）最初稱為“Navstar GPS”，是第一個投入使用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng) (GPS) 的發(fā)展始于 70 年代初，第一顆衛(wèi)星于 1978 年發(fā)射。最初的用途是作為定位和定位系統(tǒng)用于軍事目的，隨后 GPS [部分] 向民用和商業(yè)開放使用。
提供全球覆蓋的完整 24 顆衛(wèi)星星座于 1993 年投入運行。從那時起，GPS 和其他 GNSS 星座的使用已成為大量商業(yè)、國防和民用應用和服務的代名詞，這些應用和服務繼續(xù)影響著全球經(jīng)濟的許多方面。我們的生活。
GNSS 有兩個主要用途：
? 位置確定
? 定時
物體的位置是其緯度（距赤道的距離）、經(jīng)度（距英國格林威治子午線的距離）以及平均海平面以上（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(wèi)星的信號時，就可以確定GNSS接收機的絕對位置。在動態(tài)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已知時，跟蹤和導航應用就成為可能。
GNSS 衛(wèi)星通過無線電波發(fā)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(wèi)星上使用極其精確（且成本非常高）的原子鐘來實現(xiàn)的。一旦 GNSS 接收器確定了其位置（這是一個要求），GNSS 接收器就會將其內部（不太精確）時鐘與衛(wèi)星時鐘同步。通過保持同步，GNSS 接收器時鐘被認為具有非常準確的定時源。許多行業(yè)現(xiàn)在嚴重依賴這些高精度 GNSS 接收器時鐘，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于三邊測量原理。三邊測量與三角測量的不同之處在于，它使用直接測量多個點的距離來確定位置，而三角測量則測量會聚的固定點的角度來確定位置。GNSS 接收器根據(jù)接收器與多個衛(wèi)星的距離，使用三邊測量來計算其在地球上的位置。
來自單個衛(wèi)星的信號提供了一個圓形區(qū)域周圍某個點的大致位置，該區(qū)域覆蓋了地球表面的大約 35%，這是一個巨大的區(qū)域。請注意，該位置不在覆蓋區(qū)域內，而是在周界內，因為到衛(wèi)星的距離是已知長度，并且周界內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(wèi)星時，該衛(wèi)星的覆蓋范圍將與第一顆衛(wèi)星的覆蓋范圍重疊。這意味著 GNSS 接收器位于覆蓋區(qū)域周邊的兩個交點之一。當第三顆衛(wèi)星可以看出，所有三個覆蓋區(qū)域周長的交點將是 GNSS 接收器的位置。即 GNSS 接收器在地球表面的精確二維（經(jīng)度 - X 和緯度 - Y 坐標）位置。
當可以看到第四顆衛(wèi)星時，可以使用 XY 坐標和第四顆衛(wèi)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(xiàn)在具有三維定位；即 XY 坐標加上高度/標高 (Z)?？梢姷男l(wèi)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 接收器的位置位于第一個衛(wèi)星覆蓋區(qū)域周邊的某個位置。
當可以看到第二顆衛(wèi)星時，該位置必須位于周界相交的兩個點之一。
當?shù)谌w衛(wèi)星可見時，所有三個覆蓋范圍的交點就是二維位置，并且忽略剩余的交點。第四顆可見衛(wèi)星可以計算海拔/高度。
GNSS 接收器只有知道以下條件才能執(zhí)行三邊測量并提供準確的位置：
? 衛(wèi)星在哪里，
? 衛(wèi)星發(fā)送信號的確切時間，以及
? 收到信號的確切時間
前兩個要求很容易理解，因為衛(wèi)星在其軌道上的位置和信號發(fā)送時間的信息包含在衛(wèi)星發(fā)送的信號中。
第三個要求更加復雜，因為 GNSS 接收器內部的時鐘精度相對較低。這是由于 GNSS 接收器的尺寸、重量、功耗和成本限制——為 GNSS 接收器配備像 GNSS 衛(wèi)星中使用的原子鐘一樣的原子鐘是不可行的。在測量以光速傳播的信號的到達時間時，低成本接收器時鐘根本不夠準確 - 千分之一秒的時鐘計時誤差就相當于 300 公里的位置誤差。
顯然，需要一種解決接收器時鐘精度問題的方法。幸運的是，基本的代數(shù)原理開始發(fā)揮作用：我們可以說在計算位置時需要解決四個未知數(shù)：緯度、經(jīng)度、海拔和接收器時鐘誤差。這可以寫成這樣：
位置=緯度+經(jīng)度+海拔+時鐘誤差
沒有必要在數(shù)學上進一步深入研究這個問題，但只要說如果我們同時測量四個（或更多）不同衛(wèi)星，我們就可以用四個未知數(shù)求解我們的位置方程。
GNSS 衛(wèi)星位于約 20,000 公里的中地球軌道 (MEO) 上，這意味著它們大約每 12 小時繞地球一圈。由于需要始終看到至少四顆不同的衛(wèi)星才能獲得位置，因此經(jīng)計算，一個星座中至少需要 24 顆衛(wèi)星才能提供 24/7 的全球服務。
各個衛(wèi)星被分組到軌道平面中，通?？梢詢?yōu)化人口稠密地區(qū)的能見度。例如，這意味著無法保證北極和南極地區(qū)始終有至少四顆衛(wèi)星可見。
一些 GNSS 星座在軌運行的衛(wèi)星超過 24 顆。美國GPS系統(tǒng)目前有35顆。額外的衛(wèi)星有些被指定為備用衛(wèi)星以達到冗余目的，有些則用于補充特定軌道平面以提高服務可靠性和準確性。
從太空衛(wèi)星發(fā)送到 GNSS 接收器的信號很復雜，并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、信號精度和系統(tǒng)冗余。例如，由于信號波長不同，某些信號頻率更適合穿過樹木。此外，通過同時使用多個頻率，現(xiàn)代多頻 GNSS 接收器可以通過測量信號在大氣中傳播的差異來提高定位精度，并有效地將其作為誤差源消除。下面列出了一些 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
? 北斗：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制到載波頻率上。詳細介紹各種調制方法背后的數(shù)學知識超出了本文的范圍，對于一般用戶來說也沒有必要了解，但作為示例，伽利略系統(tǒng)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)
不同的調制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(wèi)星和其他 GNSS 衛(wèi)星的其他信號的干擾。
最后，應該指出的是，GNSS 衛(wèi)星廣播的一些信號被故意加密，以確保其使用受到限制。這些信號最常見的用例是軍方使用的高精度信號。
通常來說，僅使用 GNSS 和商業(yè)級 GNSS 接收器即可提供約 2 至 5 m 半徑內的定位精度。在車輛導航系統(tǒng)和電話定位等非關鍵應用中，5 m 以內可能是可以的。對于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 10 毫米。
在導航中，準確性和精密度雖然看似相似，但并不是同一回事。準確度純粹是導航系統(tǒng)估計自身與絕對位置的接近程度。另一方面，精度更多地與系統(tǒng)的可重復性或一致性有關。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
有許多因素限制（或可能限制）GNSS 的使用。主要因素是 GNSS 接收器從各個衛(wèi)星接收到的信號接收不完善。 GNSS 的惡意無線電干擾（稱為欺騙或干擾）會破壞信號，使其無法連貫地接收，這需要采取戰(zhàn)略方法來克服，這超出了本文的范圍。
除了干擾和欺騙或其他意外情況之外，還有幾種現(xiàn)象可能會導致信號接收不完美：
| 錯誤類型 | 范圍 | 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(chǎn)生的電子，這些電子可以“彎曲”并反射無線電波。 |
GNSS 軌道誤差
| ±2.5m | 位置漂移——與時鐘一樣，衛(wèi)星軌道位置的微小誤差在用于地球上的位置計算時會變得更大。 |
GNSS 時鐘誤差
| ±2m | 定時漂移——由于距離的原因，衛(wèi)星時鐘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 | 由于建筑物和地形等物體的反射而導致信號復制。 |
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延遲信號的影響，從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(qū)很常見，因為高層建筑形成了“城市峽谷”。當然，信號完全阻塞（例如在隧道、地下或水下）會導致所有衛(wèi)星信號完全丟失。
高度復雜的現(xiàn)代 GNSS 接收器可以使用優(yōu)雅的數(shù)學技術巧妙地處理其中一些問題，以確定遇到的錯誤類型并根據(jù)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(wèi)星信號完全丟失時，唯一真正的解決方案是采用慣性導航系統(tǒng)(INS) 來估計隧道內的位置計算。這稱為航位推算。
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。主要手段是安裝地面基站作為 GNSS 的地球參考。基站和 GNSS 誤差校正服務的目標是建立 GNSS 接收器相對于地球表面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，并利用先進的測量技術精確計算到可觀測衛(wèi)星的距離，從而計算出GNSS信號誤差；例如，電離層延遲。每個基站進行的所有測量和糾錯數(shù)據(jù)都會被記錄并存檔。該數(shù)據(jù)用于各種糾錯解決方案，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(shù)據(jù)廣播來消除一系列錯誤。通過從 GNSS 接收器到兩個或更多衛(wèi)星以及從基站到相同衛(wèi)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(wèi)星增強系統(tǒng) (SBAS) – 地面參考站網(wǎng)絡，根據(jù)多個參考位置的衛(wèi)星觀測，通過對地靜止衛(wèi)星提供衛(wèi)星時鐘、星歷和信號傳播校正。
? 精確單點定位 (PPP) –配備高精度 GNSS 接收器和天線的地面參考站網(wǎng)絡，可連續(xù)跟蹤 GNSS 信號和廣播。然后將處理后的衛(wèi)星軌道和時鐘數(shù)據(jù)廣播給 PPP 用戶，以提供約 10 毫米的精度。
? 后處理運動學 (PPK) – 處理未校正（“原始”）導航數(shù)據(jù)以達到相當于甚至優(yōu)于 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。
星基增強系統(tǒng) (SBAS) 和精密單點定位 (PPP) 是提高全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) (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方案，可用于航空、航海、陸地測量和基于位置的服務等各種應用。
SBAS 是一種利用地面參考站、衛(wèi)星鏈路和處理設施組成的網(wǎng)絡來確定由各種大氣和環(huán)境因素引起的 GNSS 誤差的技術。然后，計算出的誤差通過地球靜止衛(wèi)星廣播給用戶，使用戶能夠應用必要的 GNSS 校正因子并提高系統(tǒng)精度。 SBAS 旨在提供一系列服務，包括準確性、完整性、可用性和連續(xù)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 還會向用戶發(fā)出警告。這對于航空和航海等安全關鍵型應用尤其重要。
使用最廣泛的SBAS系統(tǒng)是美國的“廣域增強系統(tǒng)”（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(wèi)星增強系統(tǒng)”（MSAS）。日本。 SBAS的主要局限性是單個系統(tǒng)僅覆蓋特定區(qū)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(xiàn)厘米級精度的技術。它使用配備高精度 GNSS 接收器和天線的地面參考站網(wǎng)絡，持續(xù)跟蹤來自 GNSS 衛(wèi)星的信號。然后使用稱為“整數(shù)模糊度解析”的技術處理這些參考站收集的數(shù)據(jù)，以確定每顆衛(wèi)星的精確軌道和時鐘信息。
一旦計算出精確的軌道和時鐘信息，就會通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)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 的主要限制。
PPP 在當?shù)貐⒖颊静豢捎没虿粚嵱玫膽弥刑貏e有用，例如測量、精準農業(yè)和大地測量。 PPP還可以與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方案。 PPP 可以提供基線解決方案，然后使用 SBAS 校正信息對其進行細化。這被稱為 PPP-RTK，即實時運動學，它將 PPP 的高精度與 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，使其適用于精準農業(yè)、建筑和機器控制等應用。
? 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳感器
? 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳感器
? 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導航系統(tǒng)
? Advanced Navigation Spatial MEMS GNSS/INS 傳感器
? Advanced Navigation Certus Evo MEMS GNSS/INS 傳感器
? Advanced Navigation Spatial FOG Dual FOG GNSS/INS 傳感器
