【科普】“北斗”背后的GNSS技术，到底是个啥？

2020年6月23日9点43分，我国在西昌卫星发射中心成功发射了北斗系统第五十五颗导航卫星，也是北斗三号的最后一颗全球组网卫星。至此，北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

新闻出来之后，国人为之振奋，纷纷点赞转发。社会各界对卫星定位产业的关注度，也冲上了新高。那么，像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，正在进入怎样的阶段？今天这篇文章，我们就来聊聊卫星定位系统的那些事儿。

 什么是GNSS   
首先，我们要知道，北斗和大家更为熟悉的GPS，都属于全球导航卫星系统，也就是GNSS（Global Navigation Satellite System）。北斗是我们中国自主研发和建设的GNSS系统。而GPS，是美国的GNSS系统，也是全球最早的GNSS系统（开始于1973年，1995年全面投入运行）。同样具备全球覆盖能力的GNSS系统，还包括俄罗斯的GLONASS和欧洲的Galileo。

除了全球性的卫星系统之外，GNSS还包括一些区域性的系统（例如日本的准天顶系统QZSS和印度的IRNSS），以及增强系统（例如美国的WAAS、日本的MSAS和欧盟的EGNOS等）。增强系统，是基于全球或区域系统的辅助系统，可以满足更多场景需求。

GNSS的作用是定位和导航。准确来说，它还有一个普通人不太注意的功能，那就是授时。学术上对GNSS的定义是这么说的：全球导航卫星系统，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、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。

看明白了吧，三维坐标、速度、时间信息，是GNSS的必备功能。这三个信息，我们通常称之为PVT（Position Velocity and Time）。值得一提的是，咱们国家的北斗系统还有一个独特的功能，那就是短报文（也就是文字信息）。在关键时候，这个功能可以发挥很大的作用。

GNSS的工作原理  

那么，GNSS是如何帮助用户获取PVT信息的呢？

我们来做一个非常简单的立体几何数学题。众所周知，地球表面的任何一个位置，都有它的三维坐标，也就是经度、纬度和高程。它头顶上的GNSS卫星，也有自己的三维坐标。
那么，我们把整个空间看成一个坐标系，可以画一个立方体。立方体的两个对角，分别是用户和卫星，如下：

根据中学立体几何的知识，我们可以知道，卫星和用户之间的距离△L（这个距离也被称为“伪距”），是：

卫星的坐标是（x’,y’,z’），这是已知的。用户的坐标是（x,y,z），这是未知的。与此同时，卫星可以给用户终端发信号，信号的传输速度基本上几乎等同于光速c。而卫星上面有精度极高的原子钟，所以知道自己的时间是t。假设用户终端的时间是t’，那么，卫星和用户之间的距离△L，又可以通过下面这个公式算出：

两个公式一合并，就变成了：

一个公式里有4个未知数（x,y,z,t），大家都懂的，这个公式是解不出来滴。怎么才能解出来？再列三个公式呗。也就是说，再找3个卫星的坐标值，组成4个四元方程，就OK了。这就是为什么，一个用户终端要想解算出自己的准确位置，必须要有至少4颗卫星。很简单的数学知识，不难理解吧？

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。

A-GNSS系统架构

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。此外，就是双频技术。所谓双频，很好理解，就是GNSS模组同时支持多个不同GNSS系统的不同频段，以此增强信号的接收能力。

 

四大导航系统工作频率表

 GNSS的应用场景  

在众多黑科技的加持下，GNSS系统目前已经具备极高的响应速度和定位精度，也有非常可靠的稳定性。行业主流GNSS模组的TTFF速度目前已经提升为秒级，定位精度也从十米级、米级提升为亚米级、分米级甚至厘米级。这些指标已经完全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，现在都在大量使用GNSS模组。上述场景中，应用最为广泛且最值得关注的，是车载GNSS模组的应用。

 

 

随着“万物互联”时代的到来，车联网作为核心应用，正在进入爆发期。虽然我们总是强调5G对车联网的重要意义，但不可忽视的是，GNSS定位导航服务，同样是车联网发展的必备条件。
试想一下，如果没有高性能GNSS车载模组的支持，车辆连自己的准确位置信息都不知道，可以说是寸步难行。

GNSS车载模组能够为自动驾驶、远程驾驶提供了可靠的定位、导航和测距数据来源，是ADAS（高级驾驶辅助系统）不可或缺的组成部分。除了保障正常驾驶之外，GNSS车载模组还可以用于车辆防盗、紧急救援、集群调度、车队管理等应用需求。

对于企业来说，车辆是重要的运营资产。车辆的位置信息，是重要的管理数据。GNSS车载模组可以帮助企业掌握实时数据，跟踪车辆位置，更有效地管理这些资产。对于一些特种车辆，例如危险品运输车，GNSS车载模组的重要性更是不言而喻。

目前，物联网模组行业龙头移远通信已有多款车规级GNSS车载模组投入市场，包括LG69T/L26-DR/L26-T/L26-P等多个型号产品，均取得了不错的反响。

 

 

移远通信车规级双频高精度定位模组LG69T，支持RTK和DR技术，在大型整车厂及Tier 1客户中备受青睐。该模组严格按照IATF 16949:2016汽车行业质量管理体系标准而制造，其关键器件符合AEC-Q100标准要求，可同时接收多个GNSS 卫星信号，并在数秒内收敛到厘米级定位精度——在开阔环境下，可以输出精度5厘米的定位数据。即使在诸如城市峡谷等复杂环境中，LG69T也可实现亚米级精度，全面提升定位性能。据悉，LG69T有望最早在2021年量产的车型中投入使用。

移远通信L26-DR支持DR惯性导航技术，集成了6轴传感器和GNSS 算法引擎，具备出色的融合定位性能，可在隧道等无GNSS信号环境下实现1-2米定位精度，为追踪器、T-Box、车载导航、车队管理、物流信息管理等等汽车、工业和消费类应用提供了理想选择。

结 语   
经过数十年的发展，GNSS系统从当初的GPS一家独大，到现在变成GPS、北斗、GLONASS、伽利略等多系统共存，可以说是取得了长足的进步。如今的GNSS系统，已经具备提供全方位、全天候、高精度、高速率定位导航服务的能力。

GNSS变成了重要的国家级数字化基础设施，对推动数字经济发展有重要意义。围绕GNSS，目前已经衍生出了一系列具有增值潜力的服务场景。越来越多的公司企业，正在加入GNSS的上下游产业链。