物联网之卫星导航系统

1、卫星导航系统的发展

全球卫星导航系统也叫全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，通俗一点解释就是通过卫星系统，获取地球上任意点的位置信息，包括时间、经纬度、海拔、速度等信息。

全球卫星导航系统包括美国的全球定位系统GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）。其中GPS是世界上第一个建立并用于导航定位的全球系统，2020年中国北斗导航系统完成全球覆盖。

除四大全球导航系统外，还有日本的QZSS(准天顶系统）、印度的RNSS区域导航系统，只能为区域提供定位服务。

因为GPS的首发时间优势，以及卫星导航系统应用原理十分接近，部分场合称呼卫星导航系统都叫GPS，只是习惯问题，并非单指美国的GPS系统，本文部分描述也是基于这个习惯，请注意区分。

2、系统的构成

卫星导航系统的组成基本相同，以美国GPS为例。

2.1 控制部分

GPS控制部分由1个主控站，5个监测站和3个注入站组成。控制部分主要用于监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。

主控站：从各个监控站收集卫星数据，计算出卫星的星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星；向卫星发布指令，控制卫星，当卫星出现故障时，调度备用卫星。

监控站：接收卫星信号，检测卫星运行状态，收集天气数据，并将这些信息传送给主控站。

注入站：将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。

2.2 空间部分

GPS空间部分主要由24颗GPS卫星构成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星运行在6个轨道平面上，运行周期为12个小时。保证在任一时刻、任一地点高度角15度以上都能够观测到4颗以上的卫星。卫星在太空中会公布它的坐标位置，并且不停地发送导航电文。

2.3 用户部分

终端设备如手机，开启GPS功能被动接收卫星信号用于导航定位。接收GPS信息同收听收音机广播一样，本身是免费的，广播信号被收或者不收，它都在那发射。获取GPS信息的费用在硬件芯片，终端用户无需付费。

3、卫星定位原理

假如告知某人，距离北京1000km，可知其所在位置是以北京为圆心，半径大约1000km的圆上；再告知其距离上海也是大约1000km，同样道理可知其在两圆心相交的区域；再告知其距离广州也在1000km左右，则缩小范围，大概是湖北神农架，传说有野人的神秘区域。

同样的道理，接收机也是根据多颗卫星到其距离的相交的球面某点，距离是卫星信号到接收器的时间乘以光速，多颗卫星的距离范围相交点即为接收器位置。

卫星广播的导航电文是由一组反映卫星在空间的运行轨道、卫星钟的改正参数、电离层延迟改正参数及卫星的工作状态等信息的二进制编码数据，也称为数据码。接收机获得了GPS卫星发送的广播星历，从星历参数中求解得到卫星坐标，以及时间戳用于计算距离。

理论上3颗卫星可定位，实际接收器的时钟精度有限，10的-6次方秒，即1微秒误差会产生300米的位置偏差，这个精度要求对接收器来说存在巨大成本压力，因此多加1颗卫星数据去求解接距离差，也就是实现3D定位（经度、纬度、海拔）至少需要4颗卫星，多多益善。

4、影响定位精度的因素

影响定位精度的因素，也就是对卫星与接收器距离计算有影响的不利条件。

4.1 与卫星有关的误差

1，卫星星历误差

2，卫星钟差

3，相对论效应的影响

4.2 与传播途径有关的误差

1，电离层折射

2，对流层折射

3，多路径效应

4.3 与接收机有关的误差

1，由于热噪声、软件和各通道之间的偏差引起的观测值误差

2，接收机钟差

3，接收机周围环境带来的误差

在普通用户的角度，主要是传播途径误差，也就是环境影响，如天气（云层、雨雪、磁场）、建筑（高楼）、金属（车载定位器汽车外壳，含金属的保护膜），这些因素会降低信号强度，或者导致多径效应影响直线距离偏差，最终影响定位精度。尤其是接收机静止时，影响更明显，俗称静态漂移，只能通过信号强度或者其他传感器（如加速度、角速度）来过滤可疑点。

4.4 地图加密

经纬度映射到地图显示位置，在国内因为政策考虑，须进行特殊处理，否则经纬度对应的地图位置，与实际位置存在较大偏差。

国际上采用的地心坐标系，坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH （国际时间服务机构）1984.0定义的协议地球极（CTP)方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系统。

GCJ-02 是由中国国家测绘局（G表示Guojia国家，C表示Cehui测绘，J表示Ju局）制订的地理信息系统的坐标系统，在WGS84经纬度的基础上执行加密算法而成，原始经纬度直接在 GCJ-02 坐标系下会定位到错误的地点，有种到了火星的感觉，因此也将 GCJ-02 戏称为火星坐标系。这是国家测绘局的国土安全考虑，国内如百度地图、高德地图等都需遵守，对实际位置服务，就需将原始经纬度进行转换再映射到地图坐标，也就是地图纠偏。

5、提高定位精度

单点定位或绝对定位，就是通过一个接收器来确定位置，可通过对大量观测数据的分析、拟合而建立起来的经验公式，削弱因相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、卫星钟差。简单说就是单机持续工作再通过软件算法提高精度。

5.1 差分定位

定位精度较高的是差分定位，或称相对定位，通过增加一个参考接收器来提高定位精度。利用两台接收器同时观测卫星信号，在一台接收器位置已知的情况下，可以算出此时此刻此区域的信号修正值，然后将该值同步更新到另一台接收器，辅助算出一个准确程度非常高的位置。

简单理解为已知参考点甲坐标100，但实际测到101，则可知此时此刻此地因为外界干扰会导致结果比实际大1，那么在附近的乙测得坐标为98，那实际可以纠正为97。

5.2 地基增强系统

差分定位原理扩展后，可以在地面建立分布建立卫星观测站参考点，不断根据测量位置与已知实际位置的偏差值更新，通过网络交换告知周围的接收器，用于校准纠偏，提高定位精度。这种在方式称为地基增强系统。例如千寻位置、全图通、中海北斗等也是类似原理，将地基增强系统的纠偏信息保存在服务器，其他定位终端通过网络获取参考信息，来提高定位精度，但这不是免费的，而且应用范围有限；对接收器也需具备下载高精度定位参考信息的能力，如支持移动通信网络，这也是成本。

5.3 星基增强系统

有地面有增强系统，同样有天空版本，即星基增强系统（Satellite Based Augmentation Systems SBAS)。利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统。SBAS 系统主要由地面参考基站，主控站，上传站和地球同步卫星四部分组成，通过卫星发布包括卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息，接收机直接以此参考信息进行校准，这种方式对接收器要求低，但是定位精度提高有限。

目前全球发展的SBAS系统

欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，覆盖欧洲大陆；

美国的DGPS(Differential GPS)，美国雷声公司的广域增强系统(WAAS)，覆盖美洲大陆；

日本的多功能卫星增强系统（MSAS），覆盖亚洲大陆；

印度的GPS辅助型静地轨道增强导航（GAGAN）

5.4 双频定位

双频定位，根据两个不同频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，从而提供更准确的定位信息。

以GPS为例，其发射导航电文载波频率是.L1的频段1575.42MHz，L5频段的1176.45MHz，L5的波长更长，传输衰减更小，因此同样环境下信号达到地面的功率更高。同样条件L5信号比L1信号的功率高6dB也就是4倍左右。电离层折射产生定位误差，支持L1、L5双频的接收机可以用两种频率的观测值加以组合来进行修正。支持双频可以提高定位精度，尤其是空旷地方，但弱信号区域效果不太明显。

6、加快定位速度

接收器需要至少收到4颗卫星的导航电文才能3D定位，在任意位置和任意时间，因为接收器对当前卫星的分布情况完全未知，只能逐个扫描，这样称为冷启动，一般情况下搜寻定位需40s。热启动是在附近2小时内曾定位过，再次启动时，接收器根据缓存的卫星信息和时间推算，以此为参考提高搜星的效率，一般情况下小于3秒。冷启动与热启动中间的状态启动称为温启动。

温启动和冷启动定位慢，是因为接收机内无当前卫星星历数据，若采用其他方式如移动通信网络，将当前的卫星星历告知接收机，接收机可以有针对性的搜索，提高定位效率，该方案俗称辅助全球卫星定位系统（Assisted Global Positioning System，简称AGPS）。

AGPS一般为接收机提供当前UTC时间、当前大概位置、星历数据三种，根据这些信息，接收机推导运算得出此时此地的卫星信息，有针对的扫描，因此定位速度快，但不能提高定位精度。

AGPS可加快定位速度，是基于当前即使没有AGPS辅助也能定位的场合，假如在室内不可能定位的场合，即使正确的注入AGPS数据也是完全无用。

AGPS提供的星历根据其有效期分为在线版和离线包，在线版表示注入的数据一般2小时内有效，离线包有效期比较长，但是随着时间推移其效果是逐渐减弱的；而且离线包一般较大，比较耗流量。

目前芯片厂家免费提供AGPS星历数据，接收机通过TCP或者http下载，传闻未来将统一开始收费。AGPS功能的前提是接收器具备联网功能，如果无法联网，也可以每2小时内定时开启卫星定位，更新芯片内缓存，且不断电清缓存，缺点是平均功耗大。

7、NMEA协议

NMEA 是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association ）为海用电子设备制定的标准格式，GPS导航设备统一的 RTCM 标准协议。每种都是独立相关的 ASCII 格式，使用逗号隔开数据，NMEA 实际上已成为所有的卫星导航系统接收机通用的数据输出格式。

NMEA-0183 协议定义的语句非常多，但是常用的或兼容性最广的语句如下

前面提到，目前全球卫星导航系统有四种，美国的全球定位GPS、俄罗斯的格洛纳斯GLONASS、欧盟的伽利略GALILEO和中国的北斗卫星导航系统BDS。一般定位芯片支持至少1种定位系统，但不管支持哪些系统，输出的NMEA数据格式都是统一的。差异只是关键字前面的前2字符，例如RMC包，单GPS的为GPRMC，单格洛纳斯为GLRMC，单伽利略为GARMC，单北斗的为BDRMC（个别芯片是GBRMC），包含多个系统信息组合的则为GN开头，如GNRMC。后面部分格式、含义则完全相同。

8、卫星导航系统的应用

卫星导航系统应用广泛，与普通大众相关的诸如滴滴打车，司乘双方定位与目的地导航；美团外卖，搜索附近店铺以及送餐到家；长途自驾的高德导航、百度地图；汽车防盗、人员追踪的定位器。卫星导航、位置服务已经渗透到各行各业，未来高精度定位、万物互联具有一定的市场价值。