在 "掌握精度 "series 的第一篇文章中，我们将探讨全球导航卫星系统 (GNSS) 及其独立精度，同时考虑到各种误差。

 

什么是全球导航卫星系统？

 

卫星定位系统（如全球定位系统）已经无处不在，为我们的汽车旅行和长途跋涉提供指导。它们在自动驾驶汽车、农业和制图学 等各种应用中也发挥着至关重要的作用。

然而，重要的是要从 "全球定位系统 "这一术语转向更具包容性的 "全球导航卫星系统"（GNSS），它包括全球定位系统之外的所有卫星星座。

目前有四个全球卫星星座在运行（全球定位系统、格罗纳斯、伽利略、北斗）。此外，还有一些补充星座为当地区域服务，如印度的 IRNSS，或作为全球星座的补充，如日本的 QZSS。

除卫星外，全球导航卫星系统还包括其他重要部分：

• 卫星部分，由卫星星座组成。
• 控制部分，由地面控制站和设备组成。它们负责监测星群，确定卫星位置，并确保卫星持续、正确地运行。
• 用户部分，包括用于根据卫星接收到的信号计算位置的设备。

 

全球导航卫星系统基本原理：三角测量

全球导航卫星系统通过三坐标法工作，利用多颗卫星发出的信号来确定接收器的位置和时间。要确定位置，我们需要解决四个变量--纬度、经度、高度和时间。

因此，至少需要四颗卫星；尽管更多的卫星会提高精确度和可靠性。

下图显示了三坐标法的工作原理。卫星之间的距离可以看作卫星周围的一个球体。

接收器的位置位于这两个球面的某处。第二颗卫星可以将可能的解决方案减少到这两个球体的交点。

通过第三颗卫星，可以找到方程的单一解。在实际应用中，还必须对时间进行评估，这就需要第四颗卫星。

 

卫星发射的信号

全球导航卫星系统卫星通过不同的频段发射信号，如L1、L2、L5等。全球导航卫星系统信号有三个基本组成部分：

• 导航数据（低频）：由控制部分计算，包括星历数据（计算卫星位置所需的开普勒轨道参数）、时钟校正数据和补充信息等基本信息。这些数据上传到卫星，并向全球导航卫星系统接收器全球广播。
• 伪随机噪声码或 PRN 码（高频）：0 和 1 的确定性序列，设计有可预测的模式，以便接收器能够复制。每颗卫星都有一个独特的 PRN 码。添加 PRN 码的主要优势在于，它允许多颗卫星同时以相同频率发射信号，并能被接收器识别。这种技术被称为 CDMA（码分多址），每颗卫星都拥有自己独特的伪随机码。只有 Glonass 使用 FDMA（频分多路存取），每颗卫星的频率略有不同。
• 射频载波：正弦信号，最初设计用于传输导航数据和 PRN 编码的组合信号。我们稍后将看到这一组件如何发展成为 GNSS 信号的基础，从而实现厘米级的定位精度。

 

测量与卫星的距离：代码和载波相位

最初，GPS系统的设计是让接收机利用 PRN 码复制和自动相关技术来计算卫星到接收机的距离，精度达到亚米级。

然而，最初用于 PRN 编码传输的载波被证明是一种宝贵的资产。

载波相位测量虽然更为精确，但在确定卫星与接收器之间的距离时却存在模糊性。下文将进一步探讨这两种测量方法。

 

利用 PRN 码计算卫星到接收器的距离

全球导航卫星系统接收器使用一种称为 "延迟锁定环路 "的程序来确定发射代码和接收代码之间的时间延迟。该时间延迟相当于信号传播时间，然后将其乘以光速转换成距离。

然而，由于接收机和卫星时钟不同步，产生的距离称为伪距。除了时钟同步误差外，伪距还会受到与传播环境（大气、硬件等）有关的其他一些误差的影响，本文稍后将讨论这些误差。

 

提高卫星到接收器的距离载波相位测量

卫星和接收器之间的距离也可以通过计算信号发射和接收之间相位周期的次数，再乘以载波波长来确定。

这种测量方法比代码精确两个数量级，但一个恒定的未知整数周期（也称为模糊性）会影响其绝对精度。

为了确定载波相位的精确变化，全球导航卫星系统接收器会累积由卫星与接收器相对运动引起的载波多普勒频移。

在信号中断的情况下，这种累积过程无法解释实际运动，因此会出现测量中的突然跳变，也称为 "周期滑移"。

正确处理周期滑移和模糊性具有挑战性，也是实时运动学（RTK）和精确点定位（PPP）等精确定位技术的关键方面。

下图显示了信号载波、代码及其各自的分辨率。

全球导航卫星系统的误差来源

最初的 最初 一般公众全球定位系统的最初 精度（非军用）约为 100 米。经过多年的演变s (取消选择性可用性,部署新的星座s和 SBAS 系统新卫星和新频率 频率、)的精确度独立现在，入门级全球导航卫星系统接收器的精度在 5 米之间。,低至 1 米。高端接收机.

全球导航卫星系统的定位精度受到各种累积误差源的影响：

 

卫星误差

• 时钟误差：虽然全球导航卫星系统卫星上的原子钟非常精确，但也会出现轻微漂移。不幸的是，即使卫星时钟出现轻微偏差，也会导致接收器计算出的位置出现重大偏差。例如，仅 10 纳秒的时钟误差就会转化为 3 米的测距位置误差！
• 轨道误差：虽然全球导航卫星系统的卫星遵循高度精确和有据可查的轨道，但这些轨道也会发生细微变化，与卫星时钟类似。与时钟误差一样，即使卫星轨道发生微小变化，也会导致计算位置出现重大误差。轨道的残余误差持续存在，导致潜在的位置误差高达±2.5 米。

 

大气误差

• 电离层延迟：电离层位于地球上空 50 至 1,000 千米处，其中的带电离子会影响无线电信号的传输，导致位置误差（通常为 ±5 米，电离层活动频繁时误差更大）。电离层延迟随太阳活动、白天、季节和地点而变化，因此预测具有挑战性。
• 对流层延迟： 地球的直接大气层--对流层，由于湿度、温度和大气压力的变化，会出现延迟变化。

 

接收器误差

• 与卫星原子钟相比，接收器的内部时钟精度较低，加上其他硬件和软件误差，会给测量结果带来噪音和偏差。

延迟	起源	幅度
位置误差	卫星	5 m
时钟偏移	卫星	0-300 公里
器乐延迟	卫星	1-10 m
相对论效应	卫星	10 m
电离层延迟	路径（50-1000 公里）	2-50 m
对流层延迟	路径（0-12 公里）	2-10 m
器乐延迟	接收器	1-10 m
时钟偏移	接收器	0-300 公里

 

应考虑到这些误差，利用特定的误差模型或导航滤波器估算来减少误差，以确保最佳导航效果。

本文未列出许多其他误差项，如潮汐效应或相对论效应，在计算位置时也应加以考虑。