【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(hù)提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息的空基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通俗一點(diǎn)解釋就是通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)，獲取地球上任意點(diǎn)的位置信息，包括時(shí)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(guó)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(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。其中GPS是世界上第一個(gè)建立并用于導(dǎo)航定位的全球系統(tǒng)，2020年中國(guó)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(shí)間優(yōu)勢(shì)，以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用原理十分接近，部分場(chǎng)合稱(chēng)呼衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都叫GPS，只是習(xí)慣問(wèn)題，并非單指美國(guó)的GPS系統(tǒng)，本文部分描述也是基于這個(gè)習(xí)慣，請(qǐng)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(guó)GPS為例。

2.1 控制部分

GPS控制部分由1個(gè)主控站，5個(gè)監(jiān)測(cè)站和3個(gè)注入站組成?？刂撇糠种饕糜诒O(jiān)測(cè)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(shí)間。

主控站：從各個(gè)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(shí)鐘修正參數(shù)等，并通過(guò)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(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星。

監(jiān)控站：接收衛(wèi)星信號(hào)，檢測(cè)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(shí)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(gè)軌道平面上，運(yùn)行周期為12個(gè)小時(shí)。保證在任一時(shí)刻、任一地點(diǎn)高度角15度以上都能夠觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。衛(wèi)星在太空中會(huì)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(hù)部分

終端設(shè)備如手機(jī)，開(kāi)啟GPS功能被動(dòng)接收衛(wèi)星信號(hào)用于導(dǎo)航定位。接收GPS信息同收聽(tīng)收音機(jī)廣播一樣，本身是免費(fèi)的，廣播信號(hào)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(hù)無(wú)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(shuō)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(hào)到接收器的時(shí)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(chēng)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(shí)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(shí)鐘精度有限，10的-6次方秒，即1微秒誤差會(huì)產(chǎn)生300米的位置偏差，這個(gè)精度要求對(duì)接收器來(lái)說(shuō)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)值誤差

2，接收機(jī)鐘差

3，接收機(jī)周?chē)h(huán)境帶來(lái)的誤差

在普通用戶(hù)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(chǎng)）、建筑（高樓）、金屬（車(chē)載定位器汽車(chē)外殼，含金屬的保護(hù)膜），這些因素會(huì)降低信號(hào)強(qiáng)度，或者導(dǎo)致多徑效應(yīng)影響直線(xiàn)距離偏差，最終影響定位精度。尤其是接收機(jī)靜止時(shí)，影響更明顯，俗稱(chēng)靜態(tài)漂移，只能通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度或者其他傳感器（如加速度、角速度）來(lái)過(guò)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(guó)內(nèi)因?yàn)檎呖紤]，須進(jìn)行特殊處理，否則經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的地圖位置，與實(shí)際位置存在較大偏差。

國(guó)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(guó)際時(shí)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(chēng)為1984年世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)。

GCJ-02 是由中國(guó)國(guó)家測(cè)繪局（G表示Guojia國(guó)家，C表示Cehui測(cè)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(huì)定位到錯(cuò)誤的地點(diǎn)，有種到了火星的感覺(jué)，因此也將 GCJ-02 戲稱(chēng)為火星坐標(biāo)系。這是國(guó)家測(cè)繪局的國(guó)土安全考慮，國(guó)內(nèi)如百度地圖、高德地圖等都需遵守，對(duì)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(duì)定位，就是通過(guò)一個(gè)接收器來(lái)確定位置，可通過(guò)對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析、擬合而建立起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式，削弱因相對(duì)論效應(yīng)、電離層延遲、對(duì)流層延遲、衛(wèi)星鐘差。簡(jiǎn)單說(shuō)就是單機(jī)持續(xù)工作再通過(guò)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(chēng)相對(duì)定位，通過(guò)增加一個(gè)參考接收器來(lái)提高定位精度。利用兩臺(tái)接收器同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，在一臺(tái)接收器位置已知的情況下，可以算出此時(shí)此刻此區(qū)域的信號(hào)修正值，然后將該值同步更新到另一臺(tái)接收器，輔助算出一個(gè)準(zhǔn)確程度非常高的位置。

簡(jiǎn)單理解為已知參考點(diǎn)甲坐標(biāo)100，但實(shí)際測(cè)到101，則可知此時(shí)此刻此地因?yàn)橥饨绺蓴_會(huì)導(dǎo)致結(jié)果比實(shí)際大1，那么在附近的乙測(cè)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(cè)站參考點(diǎn)，不斷根據(jù)測(cè)量位置與已知實(shí)際位置的偏差值更新，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換告知周?chē)慕邮掌鳎糜谛?zhǔn)糾偏，提高定位精度。這種在方式稱(chēng)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(lèi)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(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取參考信息，來(lái)提高定位精度，但這不是免費(fèi)的，而且應(yīng)用范圍有限；對(duì)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(dòng)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(guò)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(duì)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(guó)的DGPS(Differential GPS)，美國(guó)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(gè)不同頻率的觀測(cè)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(zhǎng)更長(zhǎng)，傳輸衰減更小，因此同樣環(huán)境下信號(hào)達(dá)到地面的功率更高。同樣條件L5信號(hào)比L1信號(hào)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(cè)值加以組合來(lái)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(hào)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(shí)間，因?yàn)榻邮掌鲗?duì)當(dāng)前衛(wèi)星的分布情況完全未知，只能逐個(gè)掃描，這樣稱(chēng)為冷啟動(dòng)，一般情況下搜尋定位需40s。熱啟動(dòng)是在附近2小時(shí)內(nèi)曾定位過(guò)，再次啟動(dòng)時(shí)，接收器根據(jù)緩存的衛(wèi)星信息和時(shí)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(dòng)與熱啟動(dòng)中間的狀態(tài)啟動(dòng)稱(chēng)為溫啟動(dòng)。

溫啟動(dòng)和冷啟動(dòng)定位慢，是因?yàn)榻邮諜C(jī)內(nèi)無(wú)當(dāng)前衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，若采用其他方式如移動(dòng)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(duì)性的搜索，提高定位效率，該方案俗稱(chēng)輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Assisted Global Positioning System，簡(jiǎn)稱(chēng)AGPS）。

AGPS一般為接收機(jī)提供當(dāng)前UTC時(shí)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(shí)此地的衛(wèi)星信息，有針對(duì)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(méi)有AGPS輔助也能定位的場(chǎng)合，假如在室內(nèi)不可能定位的場(chǎng)合，即使正確的注入AGPS數(shù)據(jù)也是完全無(wú)用。

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

目前芯片廠(chǎng)家免費(fèi)提供AGPS星歷數(shù)據(jù)，接收機(jī)通過(guò)TCP或者h(yuǎn)ttp下載，傳聞未來(lái)將統(tǒng)一開(kāi)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(wú)法聯(lián)網(wǎng)，也可以每2小時(shí)內(nèi)定時(shí)開(kāi)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(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（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(hào)隔開(kāi)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(yǔ)句非常多，但是常用的或兼容性最廣的語(yǔ)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(guó)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(guó)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(gè)別芯片是GBRMC），包含多個(gè)系統(tǒng)信息組合的則為GN開(kāi)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(chē)，司乘雙方定位與目的地導(dǎo)航；美團(tuán)外賣(mài)，搜索附近店鋪以及送餐到家；長(zhǎng)途自駕的高德導(dǎo)航、百度地圖；汽車(chē)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(lái)高精度定位、萬(wàn)物互聯(lián)具有一定的市場(chǎng)價(jià)值。