【科普】什么是GNSS？GNSS的应用场景有哪些？

北斗这样的卫星系统，究竟是如何实现定位的呢？为了实现更好的定位效果，它引入了哪些关键技术？卫星定位产业的发展，有哪些应用场景呢？

今天这篇文章，就来聊聊GNSS那些事儿。

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什么是GNSS

GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的。GNSS是覆盖全球的自主地利空间定位的卫星系统，用于导航与定位测量，简单来讲，GNSS系统就是利用卫星信号传输实时位置与时间信息，并从而计算得到地面接收设备的经纬度等地理位置信息。

GNSS系统和其他卫星通信一样，可以从结构上大概分成三部分：空间段-地面段-用户段，其中：

● 空间段：在地球上空20,000至37,000公里之间运行的GNSS卫星；这些卫星广播信号，识别正在传输的卫星及其时间、轨道和健康状况。

● 地面段：是一个由位于世界各地的主控、数据上传和监测站组成的控制网络，主要负责这些站接收卫星信号，并将卫星显示的位置与轨道模型显示的位置进行比较并进行修正。而这里的轨道模型与预测数据就被称为星历（ephemeris）

● 用户段：所有可以接收卫星信号并根据至少四颗卫星的时间和轨道位置输出位置的设备都可以称之为用户端，主要包含信号接收天线，可处理该信号并输出位置信息的接收与定位模块。其中有采用基准站与流动站参照提高定位精度的定位模块，也就是RTK。目前，随着自动驾驶与智能物联网等技术的发展，高精度定位发展也越发迅猛，对定位精度与定位效果测试的需求也越来越多。

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GNSS的工作原理

GNSS 定位基于三角测量原理，依赖于对接收器与每颗可见卫星之间的距离的估计，即三点定位法，空间中三个圆的交点即是定位位置（实际上数学问题中三个圆的交点可能不止一个，但是剩余的都会被视作异常，如不在地球表面等），从这个角度讲，定位最少需要三颗卫星。但是，实际应用中有所不同：因为GNSS信号需要传播的距离非常远，期间存在大量干扰与削弱，因此统一的时间参考误差极大，所以实际应用中会将时间作为第四个变量：接收器参考与卫星机载时钟之间的时间差。

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GNSS的关键技术

虽然GNSS的工作原理看似简单，但真正想要把这个系统做好，是非常困难的。

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。

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。

除了A-GNSS之外，GNSS还引入了一些关键技术，帮助提升系统性能。

首先是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。

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。

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GNSS的应用场景

GNSS目前能够满足大部分的行业应用需求，例如交通、水利、减灾、海事、勘探、建筑等领域，尤其随着车联网行业发展，5G对车联网的重要意义，GNSS定位导航服务，同样是车联网发展的必备条件。

来源：RTK之家