2020年6月23日9點43分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了北斗系統(tǒng)第五十五顆導航衛(wèi)星，也是北斗三號的最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星。至此，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座部署全面完成。

新聞出來之后，國人為之振奮，紛紛點贊轉發(fā)。社會各界對衛(wèi)星定位產業(yè)的關注度，也沖上了新高。

那么，像北斗這樣的衛(wèi)星系統(tǒng)，究竟是如何實現(xiàn)定位的呢？為了實現(xiàn)更好的定位效果，它引入了哪些關鍵技術？衛(wèi)星定位產業(yè)的發(fā)展，正在進入怎樣的階段？

今天這篇文章，我們就來聊聊衛(wèi)星定位系統(tǒng)的那些事兒。

   什么是GNSS   

首先，我們要知道，北斗和大家更為熟悉的GPS，都屬于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，也就是GNSS（Global Navigation Satellite System）。

北斗是我們中國自主研發(fā)和建設的GNSS系統(tǒng)。而GPS，是美國的GNSS系統(tǒng)，也是全球最早的GNSS系統(tǒng)（開始于1973年，1995年全面投入運行）。

同樣具備全球覆蓋能力的GNSS系統(tǒng)，還包括俄羅斯的GLONASS和歐洲的Galileo。

除了全球性的衛(wèi)星系統(tǒng)之外，GNSS還包括一些區(qū)域性的系統(tǒng)（例如日本的準天頂系統(tǒng)QZSS和印度的IRNSS），以及增強系統(tǒng)（例如美國的WAAS、日本的MSAS和歐盟的EGNOS等）。增強系統(tǒng)，是基于全球或區(qū)域系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，可以滿足更多場景需求。

GNSS的類別

GNSS的作用是定位和導航。準確來說，它還有一個普通人不太注意的功能，那就是授時。

學術上對GNSS的定義是這么說的：

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，是能在地球表面或近地空間的任何地點，為用戶提供全天候的三維坐標、速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統(tǒng)。

看明白了吧，三維坐標、速度、時間信息，是GNSS的必備功能。這三個信息，我們通常稱之為PVT（Position Velocity and Time）。

值得一提的是，咱們國家的北斗系統(tǒng)還有一個獨特的功能，那就是短報文（也就是文字信息）。在關鍵時候，這個功能可以發(fā)揮很大的作用。

   GNSS的工作原理   

那么，GNSS是如何幫助用戶獲取PVT信息的呢？

我們來做一個非常簡單的立體幾何數(shù)學題。

眾所周知，地球表面的任何一個位置，都有它的三維坐標，也就是經(jīng)度、緯度和高程。它頭頂上的GNSS衛(wèi)星，也有自己的三維坐標。

那么，我們把整個空間看成一個坐標系，可以畫一個立方體。立方體的兩個對角，分別是用戶和衛(wèi)星，如下：

根據(jù)中學立體幾何的知識，我們可以知道，衛(wèi)星和用戶之間的距離△L（這個距離也被稱為“偽距”），是：

衛(wèi)星的坐標是（x’,y’,z’），這是已知的。用戶的坐標是（x,y,z），這是未知的。

與此同時，衛(wèi)星可以給用戶終端發(fā)信號，信號的傳輸速度基本上幾乎等同于光速c。而衛(wèi)星上面有精度極高的原子鐘，所以知道自己的時間是t。假設用戶終端的時間是t’，那么，衛(wèi)星和用戶之間的距離△L，又可以通過下面這個公式算出：

兩個公式一合并，就變成了：

一個公式里有4個未知數(shù)（x,y,z,t），大家都懂的，這個公式是解不出來滴。

怎么才能解出來？再列三個公式唄。

也就是說，再找3個衛(wèi)星的坐標值，組成4個四元方程，就OK了。

這就是為什么，一個用戶終端要想解算出自己的準確位置，必須要有至少4顆衛(wèi)星。

很簡單的數(shù)學知識，不難理解吧？

   GNSS的關鍵技術   

雖然GNSS的工作原理看似簡單，但真正想要把這個系統(tǒng)做好，是非常困難的。

衡量一個GNSS系統(tǒng)是否足夠優(yōu)秀，主要看它的精度、速度和靈敏度。這個速度，主要是指從啟動定位設備到首次正常定位所需的時間，也稱為TTFF（Time to First Fix）。

影響GNSS定位精度的主要原因，是誤差。誤差既來自系統(tǒng)的內部，也來自外部。例如穿透電離層和對流層時產生的誤差，還有衛(wèi)星高速移動產生的多普勒效應引起的誤差，以及多徑效應誤差、通道誤差、衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、內部噪聲誤差等等。

這些誤差，有些是可以完全消除的，也有些是無法消除或只能部分消除的。消除水平的高低，直接決定了系統(tǒng)的準確性和可靠性。

為了更好地消除誤差、提高反應速度，GNSS會引入一些天基或陸基的輔助手段。結合輔助手段的GNSS，也被稱為A-GNSS。A就是Assisted，“輔助”的意思。

現(xiàn)在比較常用的，是通過陸基的移動通信網(wǎng)絡，傳送增強改正數(shù)據(jù)，提供輔助信息，加強和加快衛(wèi)星導航信號的搜索跟蹤性能和速度，縮短定位時間，提高定位精度。

A-GNSS系統(tǒng)架構

除了A-GNSS之外，GNSS還引入了一些關鍵技術，幫助提升系統(tǒng)性能。

首先是RTK技術。

RTK（Real-time kinematic），稱為實時動態(tài)差分法，又稱為載波相位差分技術，是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法，包括傳統(tǒng)RTK和網(wǎng)絡RTK。

傳統(tǒng)RTK模式，只有一個基準站。網(wǎng)絡RTK模式，有多個基準站。

以網(wǎng)絡RTK為例，多個基準站會采集監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)給控制中心，控制中心針對數(shù)據(jù)進行粗差剔除后，再進行解算，并最終將改正信息發(fā)給用戶。

網(wǎng)絡RTK的覆蓋范圍很快，可以距離用戶上百公里。而且，網(wǎng)絡RTK擁有更高的精度和穩(wěn)定性。

然后是慣性導航技術。

GNSS衛(wèi)星定位雖然方便，但容易受客觀條件的影響。例如隧道、森林等路段，GNSS信號容易中斷。此時，就需要臨時采用其它的輔助手段。

航位推算（DR，Dead Reckoning），就是一種自主式的慣性導航技術。通過采用加速度傳感器和陀螺儀傳感器，結合一些專用算法，它可以根據(jù)用戶終端（例如車輛）的初始位置信息以及傳感器獲得的信息，推算出用戶終端在盲區(qū)位置的高精度導航數(shù)據(jù)。

DR和GNSS有很強的互補性，一方面DR可以幫助補盲，另一方面GNSS也能對DR進行實時糾偏，幫助DR推測出更準確的位置。

此外，就是雙頻技術。

所謂雙頻，很好理解，就是GNSS模組同時支持多個不同GNSS系統(tǒng)的不同頻段，以此增強信號的接收能力。

四大導航系統(tǒng)工作頻率表

   GNSS的應用場景   

在眾多黑科技的加持下，GNSS系統(tǒng)目前已經(jīng)具備極高的響應速度和定位精度，也有非?？煽康姆€(wěn)定性。行業(yè)主流GNSS模組的TTFF速度目前已經(jīng)提升為秒級，定位精度也從十米級、米級提升為亞米級、分米級甚至厘米級。

這些指標已經(jīng)完全能夠滿足大部分的行業(yè)應用需求。例如交通、水利、減災、海事、勘探、建筑等領域，現(xiàn)在都在大量使用GNSS模組。

上述場景中，應用最為廣泛且最值得關注的，是車載GNSS模組的應用。

隨著“萬物互聯(lián)”時代的到來，車聯(lián)網(wǎng)作為核心應用，正在進入爆發(fā)期。

雖然我們總是強調5G對車聯(lián)網(wǎng)的重要意義，但不可忽視的是，GNSS定位導航服務，同樣是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必備條件。

試想一下，如果沒有高性能GNSS車載模組的支持，車輛連自己的準確位置信息都不知道，可以說是寸步難行。

GNSS車載模組能夠為自動駕駛、遠程駕駛提供了可靠的定位、導航和測距數(shù)據(jù)來源，是ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）不可或缺的組成部分。

除了保障正常駕駛之外，GNSS車載模組還可以用于車輛防盜、緊急救援、集群調度、車隊管理等應用需求。

對于企業(yè)來說，車輛是重要的運營資產。車輛的位置信息，是重要的管理數(shù)據(jù)。

GNSS車載模組可以幫助企業(yè)掌握實時數(shù)據(jù)，跟蹤車輛位置，更有效地管理這些資產。對于一些特種車輛，例如危險品運輸車，GNSS車載模組的重要性更是不言而喻。

目前，物聯(lián)網(wǎng)模組行業(yè)龍頭移遠通信已有多款車規(guī)級GNSS車載模組投入市場，包括LG69T/L26-DR/L26-T/L26-P等多個型號產品，均取得了不錯的反響。

移遠通信車規(guī)級雙頻高精度定位模組LG69T，支持RTK和DR技術，在大型整車廠及Tier 1客戶中備受青睞。該模組嚴格按照IATF 16949:2016汽車行業(yè)質量管理體系標準而制造，其關鍵器件符合AEC-Q100標準要求，可同時接收多個GNSS衛(wèi)星信號，并在數(shù)秒內收斂到厘米級定位精度——在開闊環(huán)境下，可以輸出精度5厘米的定位數(shù)據(jù)。即使在諸如城市峽谷等復雜環(huán)境中，LG69T也可實現(xiàn)亞米級精度，全面提升定位性能。據(jù)悉，LG69T有望最早在2021年量產的車型中投入使用。

移遠通信L26-DR支持DR慣性導航技術，集成了6軸傳感器和GNSS算法引擎，具備出色的融合定位性能，可在隧道等無GNSS信號環(huán)境下實現(xiàn)1-2米定位精度，為追蹤器、T-Box、車載導航、車隊管理、物流信息管理等等汽車、工業(yè)和消費類應用提供了理想選擇。

   結 語   

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，GNSS系統(tǒng)從當初的GPS一家獨大，到現(xiàn)在變成GPS、北斗、GLONASS、伽利略等多系統(tǒng)共存，可以說是取得了長足的進步。如今的GNSS系統(tǒng)，已經(jīng)具備提供全方位、全天候、高精度、高速率定位導航服務的能力。

GNSS變成了重要的國家級數(shù)字化基礎設施，對推動數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展有重要意義。圍繞GNSS，目前已經(jīng)衍生出了一系列具有增值潛力的服務場景。越來越多的公司企業(yè)，正在加入GNSS的上下游產業(yè)鏈。

GNSS，未來可期！

—— The End ——