GNSS基本概述

2019.6.11

笔者有大半年没有更新博客了，最近又重新投入了工作中，所以打算总结一下这两三年来学习的卫星导航知识，毕竟这个才是我的专业。之前惯导以及SLAM等都是自己边学习边总结的，最近打算写一下卫星导航的博客，把这几年来的积累做一个完整的概括，也方便自己温故知新。

目录

GNSS概述?️

GPS（Global Position System）

BeiDou

GLONASS

Galileo

首先了解什么是GNSS，以及GPS，北斗，GLONASS，Galileo。

GNSS即全球导航卫星系统（global navigation satellite system），它包括全球性的美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的Galileo。此外还有区域性导航系统，如日本的准天顶（QZSS），印度的IRNSS。增强系统有美国的WAAS，日本的MSAS、欧盟的EGNOS、印度的GAGAN以及尼日尼亚的NIG-GOMSAT-1等。

我们这里主要探讨四大全球导航系统，并以GPS和北斗为主。

卫星导航系统的组成包括三个部分：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。空间星座部分就是那些卫星啦，四大导航系统的卫星占据着不同的轨道，卫星的数量、组成、通信等原理也不尽相同。地面监控中心接收、测量将卫星信号，确定卫星的轨道信息 并将其发射给卫星。用户设备即接收机，可以是专业的多频多系统接收机，也可以是我们手机中的GPS模块，通过信号解算出的卫星轨道信息等来确定用户的位置。

作为最早的卫星导航系统，GPS无疑占据了最好的轨道和资源。GPS的空间星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成.

空间星座组成

•24 颗卫星

•6个平面轨道

–相对于赤道的倾角为 55º

–轨道之间的间隔为60º

•距离地区表面20,200 km

•轨道周期11 hr 58 min

•5到11颗卫星可见

而地球自转的周期为23小时56分，这样就保证了对于地球上的观测点，GPS卫星每隔23小时56分就会重复一次。在地面上可见卫星的数量至少4颗，保证了基本的定位要求。

GPS的历史

–子午仪系统（Transit System）

–NavStar (现在称为 GPS)

•开始于 1973

•前四颗卫星发射于 1978

•GPS的第一次实际应用是在1990年的海湾战争。

•1995年7月17号全面投入运行。

•系统耗资 $12 billion

•GPS 为民用和军用提供全球服务

•2000年5月，宣布解除SA(Selective Availability)

GPS卫星的改进

卫星组成

•四个原子钟

•3块镍铬电池

•两块太阳能电池板–电池充电/电力供应/1136 watts

•S 波段天线－控制卫星

•12 个L 波段天线元—用户通讯

•Block IIF 卫星(第四代)

GPS现代化

GPS IIR-M, IIF

GPS III

•Standard Service (~100 m)

•Precise Service (~16 m)

•Two Nav frequencies

L1: Civil (C/A) & Precise  code, Navigation

L2: P-code Nav

IIR-M:  Improved on all IIA capabilities and added

•2nd Civil Signal on L2

•New L1 & L2 M-Code

IIF:  IIR-M capability and:

•Add 3rd Civil Signal on L5

•Increased power (+20dB)

•Increased Accuracy

•Greater Availability

•Controlled Integrity

•Greater Survivability

GPS误差来源

•卫星轨道扰动  (被称作星历)–太阳、月亮的引力; 太阳风

•大气信号延迟–电离层、对流层

•原子钟的浮动

•接收机质量–有缺陷的钟或者内部噪声

•多经–多经信号反射

北斗卫星分布在MEO，GEO，IGSO三种轨道上。

目前北斗卫星发射情况如下图：

2019.5.17在西昌用长征三号丙运载火箭成功发射了第45颗北斗导航卫星。该卫星属于GEO轨道，是北斗2号工程的第4颗备份卫星。

关于北斗的更多内容可以参考www.beidou.gov.cn/

自1982年至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星，于1996年初投入运行使用。空间星座由均匀分布在3个MEO轨道面的24课卫星组成，轨道高度为19100km，在高纬度地区的覆盖度比GPS要好。

截止2016年12月，已经发射了18颗工作卫星，具备了早期操作能力（EOC），并计划在2019年具备完全操作能力（FOC）全部30颗卫星（调整为24颗工作卫星，6颗备份卫星）计划于2020年发射完毕，MEO轨道高度为23222km。

知乎上有一篇关于卫星分布的回答写的很好，在这里用一下作者的图。回答的链接是https://www.zhihu.com/question/21092045/answer/17164418

最后，给大家推荐几本卫星导航相关的书籍

1.谢钢《GPS原理与接收机设计》

这本书算是经典教材了，内容比较全面，适合刚刚接触导航的学生，读者可以根据自己的需要阅读相应的章节。

2.（德）许国昌《GPS理论，算法与应用》

这本书注重于算法理论和公式推理，有了一定的卫星导航基础知识和矩阵理论的基础，再来看这本书会容易展开。书中的推导过程都非常棒，有助于对卫星导航中常用的矩阵运算过程更好的理解。

3.李征航，张小红《卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法》

这本书是武汉大学的两位老师主编，也很好的反应了武汉大学在卫星导航方面的强项，即高精度数据处理。对于做RTK，PPP等定位算法等同学来说，这本书在数据处理方面还是有很好的参考价值。