衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS及其定位原理技術(shù)分析

1 GNSS概述

根據(jù)后方交會定位原理，要實現(xiàn) GNSS定位，需要解決兩個問題:一是觀測瞬間衛(wèi)星的 空間位置；二是觀測站點和衛(wèi)星之間的距離，即衛(wèi)星在某坐標系中的坐標。

為此首先要建 立適當?shù)淖鴺讼祦肀碚餍l(wèi)星的參考位置[8]，而坐標又往往與時間聯(lián)系在一起[9]，因此， GNSS定位是基于坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)進行的。

2 坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，坐標系用于描述與研究衛(wèi)星在其軌道上的運動、表達地面觀測站的位 置以及處理定位觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，選用的坐標系也不相同。

坐標系統(tǒng)大概 分為以下幾類:地理坐標系、慣性坐標系、地球坐標系、地心坐標系和參心坐標系。

國內(nèi)常 用的坐標系統(tǒng)有:1954年北京54坐標系(Beijing54CoordinateSystem，P54)、1980年國家 大地坐標系(NationalGeodeticCoordinateSystem1980，C80)、1984年世界大地坐標系統(tǒng) (WorldGeodeticSystem-1984CoordinateSystem，WGS-84)、2000國家大地坐標系(China GeodeticCoordinateSystem2000，CGCS2000)。

時間系統(tǒng)在衛(wèi)星導(dǎo)航中是最重要、最基本的物理量之一。

首先，高精度的原子鐘控制衛(wèi) 星發(fā)送的所有信號。

其次，在大多數(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，距離的測量都是通過精確測定信號傳 播的時間來實現(xiàn)的。

時間系統(tǒng)主要包括世界時、歷書時、力學(xué)時、原子時、協(xié)調(diào)世界時、儒略 日、衛(wèi)星導(dǎo)航時間系統(tǒng)。

其中 GNSS采用了一個獨立的時間系統(tǒng)作為導(dǎo)航定位計算的依 據(jù)，稱為 GNSS時間系統(tǒng)，簡稱 GNSST。GNSST 屬于原子時系統(tǒng)，其秒長與原子時秒長 相同。

3 定位原理

GNSS的設(shè)計思想是將空間的人造衛(wèi)星作為參照點，確定一個物體的空間位置。根據(jù) 幾何學(xué)理論可以證明，通過精確測量地球上某個點到三顆人造衛(wèi)星之間的距離，能對此點的 位置進行三角形的測定，這就是 GNSS最基本的設(shè)計思路及定位功能。

假設(shè)地面測得某點P 到衛(wèi)星S1 的距離為r1，那么從幾何學(xué)可知，P 點所在的空間可能 位置集縮到這樣一個球面上，此球面的球心為衛(wèi)星S1，半徑為r1。再假設(shè)測得P 點到第二 顆衛(wèi)星S2 的距離為r2，同樣意味著 P 點處于以第二顆衛(wèi)星S2 為球心、半徑為r2 的球面 上。

如果同時測得P 點到第三顆衛(wèi)星S3 的距離為r3，意味著P 點也處于以第三顆衛(wèi)星S3 為球心、半徑為r3 的球面上，這樣就可以確定 P 點的位置，也就是三個球面的交匯處，如圖3-2所示。從 GNSS進行定位的基本原理可以看出，GNSS定 位方法的實質(zhì)，即測量學(xué)的空間后方交會。由于 GNSS 采用單程測距，且難以保證衛(wèi)星鐘與用戶接收機鐘的 嚴格同步，因此觀測站和衛(wèi)星之間的距離均受兩種時 鐘不同步的影響。衛(wèi)星鐘差可用導(dǎo)航電文中所給的有 關(guān)鐘差參數(shù)進行修正，而接收機的鐘差大多難以精準 確定，通常采用的優(yōu)化做法是將其作為一個未知參數(shù)， 與觀測站的坐標一并求解，即一般在一個觀測站上需 求解4個未知參數(shù)(3 個點位坐標分量和一個鐘差參 數(shù))，因此至少需要4個同步偽距觀測值，即需要同時觀測4顆衛(wèi)星。

根據(jù)用戶站的運動狀態(tài)可將 GNSS分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。靜態(tài)定位是將待定點 固定不變，將接收機安置在待定點上進行大量的重復(fù)觀測。動態(tài)定位是指待定點處于運動 狀態(tài)，測定待定點在各觀測時刻運動中的點位坐標，以及運動載體的狀態(tài)參數(shù)，如速度、時間 和方位等。此外，還可以根據(jù)定位模式分為絕對定位和相對定位。絕對定位只用一臺接收 機來進行定位，又稱作單點定位，它所確定的是接收機天線在坐標系統(tǒng)中的絕對位置。相對 定位是指將兩臺接收機安置于兩個固定不變的待定點上，或?qū)⒁粋€點固定于已知點上，另一 個點作為流動待定點，經(jīng)過一段時間的同步觀測，可以確定兩個點之間的相對位置，從而獲 得高精度的位置坐標。

4 GNSS數(shù)據(jù)誤差

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差從來源上可以分為4類:與信號傳播有關(guān)的誤差、與衛(wèi)星有關(guān)的 誤差、與接收機有關(guān)的誤差以及與地球轉(zhuǎn)動有關(guān)的誤差[11]。

與信號傳播有關(guān)的誤差包括電離層延遲誤差、對流層延遲誤差及多徑效應(yīng)誤差。與衛(wèi) 星有關(guān)的誤差包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星時鐘誤差、相對論效應(yīng)等。與接收機有關(guān)的誤差包括 接收機時鐘誤差、(接收機天線相位中心相對于測站標識中心的)位置誤差和天線相位中心 位置的偏差。與地球轉(zhuǎn)動有關(guān)的誤差包括來自地球潮汐、地球自轉(zhuǎn)的影響。

誤差分類如 表3-1所示，下面列舉幾種常見誤差進行說明。

4.1 電離層延遲誤差

電離層是處于地球上空50~1000km 高度的大氣層。該大氣層中的中性分子受太陽輻 射的影響發(fā)生電離，產(chǎn)生大量的正離子與電子。在電離層中，電磁波的傳輸速率與電子密度 有關(guān)。因此直接將真空中電磁波的傳播速度乘以信號的傳播時間得到的距離，很大可能與 衛(wèi)星至接收機間的真實幾何距離不相等，這兩種距離上的偏差叫電離層延遲誤差。

電離層 延遲誤差是影響衛(wèi)星定位的主要誤差源之一，它引起的距離誤差較大，一般在白天可以達到 15m 的誤差，在夜晚則可以達到3m 的誤差；并且在天頂方向引起的誤差最大可達50m，水 平方向引起的誤差最大可達150m。

針對電離層延遲誤差的改進措施通常包括利用雙頻觀測、利用電離層模型輔以修正和利用同步觀測值求差。

4.2 多徑效應(yīng)誤差

接收機接收信號時，如果接收機周圍物體所反射的信號也進入天線，并且與來自衛(wèi)星的信號通過不同路徑傳播且于不同時間到達接收端，反射信號和來自衛(wèi)星的直達信號相互疊 加干擾，使原本的信號失真或者產(chǎn)生錯誤，造成衰落[12]。這種由于多徑信號傳播所引起的 衰落被稱作多徑效應(yīng)，也稱多路徑效應(yīng)。

多徑效應(yīng)誤差是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中一種主要的誤差源，可造成衛(wèi)星定位精確度的損害，嚴重時還將引起信號的失鎖。改進措施通常包括將接收機天線安置在遠離強發(fā)射面的環(huán)境、選擇抗多徑天線、適當延長觀測時間、降低周期性影響、 改進接收機的電路設(shè)計、改進抗多徑信號處理和自適應(yīng)抵消技術(shù)。

4.3 衛(wèi)星星歷誤差

由星歷所給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。衛(wèi)星星歷誤差主要 由鐘差、頻偏、頻漂等產(chǎn)生。針對衛(wèi)星在運動中受到的多種攝動力的綜合影響，對于目前的 技術(shù)來說，要求地面監(jiān)測站實現(xiàn)準確、可靠地測出這些作用力，并掌握其作用規(guī)律是比較困 難的，因此衛(wèi)星星歷誤差的估計和處理尤為關(guān)鍵。

改進措施通常包括忽略軌道誤差、通過軌 道改進法處理觀測數(shù)據(jù)、采用精密星歷和同步觀測值求差。

5 差分 GNSS定位技術(shù)

減少甚至消除3.1.3節(jié)所提到的誤差是提高定位精度的措施之一，而差分GNSS可有效利用已知位置的基準站將公共誤差估算出來，通過相關(guān)的補償算法削弱或消除部分誤差， 從而提高定位精度。

差分 GNSS的基本原理主要是在一定地域范圍內(nèi)設(shè)置一臺或多臺接收機，將一臺已知精密坐標的接收機作為差分基準站，基準站連續(xù)接收 GNSS信號，與基準站已知的位置和距離數(shù)據(jù)進行比較，從而計算出差分校正量。然后，基準站就會將此差分校正量發(fā)送到其范 圍內(nèi)的流動站進行數(shù)據(jù)修正，從而減少甚至消除衛(wèi)星時鐘、衛(wèi)星星歷、電離層延遲與對流層 延遲所引起的誤差，提高定位精度。

流動站與差分基準站的距離直接影響差分 GNSS的效果，流動站與差分基準站的距離越近，兩站點之間測量誤差的相關(guān)性就越強，差分 GNSS系統(tǒng)性能就越好。

根據(jù)差分校正的目標參量的不同，差分 GNSS主要分為位置差分、偽距差分和載波相 位差分。下面將簡要介紹位置差分、偽距差分、載波相位差分。

5.1 位置差分

位置差分系統(tǒng)如圖3-3所示。

通過在已知坐標點的基準站上安裝 GNSS接收機來對4 顆或4顆以上的衛(wèi)星進行實時觀測，便可以進行定位，得出當前基準站的坐標測量值。實際 上由于誤差的存在，通過 GNSS接收機接收的消息解算(Solve)出來的坐標與基準站的已知坐標是不同的。

然后將坐標測量值與基準站實際坐標值的差值作為差分校正量?；鶞收纠脭?shù)據(jù)鏈將所得的差分校正量發(fā)送給流動站，流動站利用接收到的差分校正量與自身GNSS接收機接收到的測量值進行坐標修改。位置差分是一種最簡單的差分方法，其傳輸 的差分改正數(shù)少，計算簡單，并且任何一種 GNSS接收機均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。

但由于流動站與基準站必須觀測同一組衛(wèi)星，因此位置差分法的應(yīng)用范圍受到距離上的限 制，通常流動站與基準站間距離不超過100km。

5.2 偽距差分

如圖3-4所示，偽距差分技術(shù)是在一定范圍的定位區(qū)域內(nèi)，設(shè)置一個或多個安裝 GNSS 接收機的已知點作為基準站，連續(xù)跟蹤、觀測所有在信號接收范圍內(nèi)的 GNSS衛(wèi)星偽距，通過在基準站上利用已知坐標求出衛(wèi)星到基準站的真實幾何距離，并將其與觀測所得的偽距 比較，然后通過濾波器對此差值進行濾波并獲得其偽距修正值。

接下來，基準站將所有的偽 距修正值發(fā)送給流動站，流動站利用這些誤差值來改正 GNSS衛(wèi)星傳輸測量偽距。

最后， 用戶利用修正后的偽距進行定位。

偽距差分的基準站與流動站的測量誤差與距離存在很強的相關(guān)性，故在一定區(qū)域范圍內(nèi)，流動站與基準站的距離越小，其使用 GNSS差分得到的定位精度就會越高。

5.3 載波相位差分

GNSS位置差分技術(shù)與偽距差分技術(shù)都能基本滿足定位導(dǎo)航等的定位精度需求[13]，但應(yīng)用在自動駕駛中還遠遠不夠，因此需要更加精準的 GNSS差分技術(shù)，即載波相位差分技術(shù)。

載波相位實現(xiàn)差分的方法有修正法和差分法。

修正法與偽距差分類似，由基準站將載 波相位修正量發(fā)送給流動站，以改正其載波相位觀測值，然后得到自身的坐標。

差分法是將基準站觀測的載波相位測量值發(fā)送給流動站，使其自身求出差分修正量，從而實現(xiàn)差分定位。

載波差分技術(shù)的根本是實時處理兩個測站的載波相位。與其他差分技術(shù)相比，載波相位差分技術(shù)中基準站不直接傳輸關(guān)于 GNSS測量的差分校正量，而是發(fā)送 GNSS的測量原始值。流動站收到基準站的數(shù)據(jù)后，與自身觀測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)組成相位差分觀測值，利用組合后的測量值求出基線向量完成相對定位，進而推算出測量點的坐標。

然而，在使用載波差分法進行相位測量時，每一個相位的觀測值都包含有無法直接觀測載波的未知整周期數(shù)，稱為相位整周模糊度。如何正確確定相位整周模糊度是載波相位測量求解中最重要，也是最棘手的問題。求解相位整周模糊度分為有初始化方法和無初始化方法。前者要求具有初始化過程，即對流動站進行一定時間的固定觀測，一般需要15min， 利用靜態(tài)相對測量軟件進行求解，得到每顆衛(wèi)星的相位整周模糊度并固定此值，便于在以后的動態(tài)測量中將此相位整周模糊度作為已知量進行求解。后者雖然稱作無初始化，但實際上仍需要時間較短的初始化過程，一般只需3~5min，隨后快速求解相位整周模糊度。

因此兩種求解相位整周模糊度的方法都需要具備初始化過程，并且在初始化后必須保持衛(wèi)星信號不失鎖，否則，就要回到起算點重新進行捕捉和鎖定。

RTK 是一種利用接收機實時觀測衛(wèi)星信號載波相位的技術(shù)，結(jié)合了數(shù)據(jù)通信技術(shù)與衛(wèi) 星定位技術(shù)，采用實時解算和數(shù)據(jù)處理的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)為流動站提供在指定坐標系中的實時三維坐標點，在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)高精度的位置定位。常用的 RTK 定位技術(shù)分為常規(guī) RTK 和網(wǎng)絡(luò) RTK。

5.3.1 常規(guī) RTK

常規(guī) RTK 定位技術(shù)是一種基于 GNSS高精度載波相位觀測值的實時動態(tài)差分定位技術(shù)，也可用于快速靜態(tài)定位。

采用常規(guī) RTK 進行定位工作時，除需配備基準站接收機和流動站接收機外，還需要數(shù)據(jù)通信設(shè)備，基準站通過數(shù)據(jù)鏈路將自己所獲得的載波相位觀測值及站坐標實時播發(fā)給在其周圍工作的動態(tài)用戶。

流動站數(shù)據(jù)處理模塊則通過動態(tài)差分定位的方式，確定流動站相對于基準站的位置，并根據(jù)基準站的坐標得到自身的瞬時絕對位置。常規(guī) RTK 系統(tǒng)如圖3-5所示。

顯然，常規(guī) RTK 定位技術(shù)雖然可以滿足很多應(yīng)用的要求，但流動站與基準站的距離不能過遠，當距離大于50km 時，常規(guī) RTK 一般只能達到分米級的定位精度。

因此，常規(guī) RTK 并不能完全滿足自動駕駛系統(tǒng)對汽車、車道及障礙物的厘米級定位需求。

5.3.1 網(wǎng)絡(luò) RTK

5.3.1.1 網(wǎng)絡(luò) RTK 原理

網(wǎng)絡(luò) RTK 也稱多基準站 RTK。

網(wǎng)絡(luò) RTK 屬于實時載波相位雙差定位，是近年來一種基于常規(guī) RTK 和差分 GNSS技術(shù)等發(fā)展起來的實時動態(tài)定位新技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò) RTK 是指 在某一區(qū)域內(nèi)由若干個固定的、連續(xù)運行的 GNSS基準站形成一個基準站網(wǎng)絡(luò)，對區(qū)域內(nèi)全方位覆蓋，并以這些基準站中的一個或多個為基準，為該地區(qū)內(nèi)的 GNSS用戶實現(xiàn)實時、 高精度定位提供 GNSS誤差改正信息。

網(wǎng)絡(luò) RTK 技術(shù)與常規(guī) RTK 技術(shù)相比，覆蓋范圍更廣，作業(yè)成本更低，定位精度更高，用戶定位的初始化時間更短。

5.3.1.2 網(wǎng)絡(luò) RTK 系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò) RTK 系統(tǒng)如圖3-6所示。它是網(wǎng)絡(luò) RTK 技術(shù)的應(yīng)用實例，主要包括固定的基準 站網(wǎng)、負責數(shù)據(jù)處理的控制中心部分、數(shù)據(jù)播發(fā)中心、數(shù)據(jù)鏈路和用戶站。

其中基準站網(wǎng)由 若干個基準站組成，每個基準站都配備有雙頻全波長 GNSS接收機、數(shù)據(jù)通信設(shè)備和氣象 儀器等。

通過長時間 GNSS 靜態(tài)相對定位等方法可以精確得到基準站的坐標，基準站 GNSS接收機按一定采樣率進行連續(xù)觀測，通過數(shù)據(jù)鏈路將觀測數(shù)據(jù)實時傳送給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心首先對各個站的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和質(zhì)量分析，然后對整個基準站網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一解算，實時估計出網(wǎng)內(nèi)的各種系統(tǒng)誤差的改正項(電離層、對流層和軌道誤差)， 并建立誤差模型。

根據(jù)通信方式的不同，可將網(wǎng)絡(luò) RTK 系統(tǒng)分為單向數(shù)據(jù)通信和雙向數(shù)據(jù)通信。

在單向數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)處理中心直接通過數(shù)據(jù)播發(fā)設(shè)備把誤差參數(shù)廣播出去，用戶收到這些誤 差改正參數(shù)后，根據(jù)自己的坐標和相應(yīng)的誤差改正模型計算出誤差改正數(shù)，從而進行高精度定位。在雙向數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)處理中心對流動站的服務(wù)請求進行實時偵聽，并接收來自流 動站的近似坐標，根據(jù)流動站的近似坐標和誤差模型，求出流動站處的誤差后，直接將改正數(shù)或者虛擬觀測值播發(fā)給用戶。基準站與數(shù)據(jù)處理中心間的數(shù)據(jù)通信可采用無線通信等方法進行。流動站和數(shù)據(jù)處理中心間的雙向數(shù)據(jù)通信則可通過 V2X等車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)。

編輯：黃飛

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