关于卫星定位，你想知道的一切

微信运营 2022-12-8 17:47 8958人围观定位

5G和斗极，是国之重器。斗极作为卫星定位系统，今朝在国际上已处于领先职位，而且已经渗透到我们工作和生活的各个方面。本文将简要先容卫星定位的道理和利用情况，方便大师对斗极、卫星定位有更多的领会。

卫星定位的道理

卫星定位系统的英文是Global Navigation Satellite System(GNSS），虽然间接翻译过来是导航卫星系统，但它真正供给的才能是定位，能定位后，导航就变得相对简单了。卫星定位的道理，是操纵卫星播发时候信号，当装备接收到后，可以按照信号发射时候和当地时候，计较出信号传输时候，再连系光速获得卫星-装备间隔。

有了多颗卫星的信号，可以列出一组方程，求解4个未知数：装备的三维坐标x/y/z，以及当地时候与GNSS系统的时候差。

式中的代表卫星j的三维坐标，这个坐标可以经过卫星星历计较获得。

星历是描写卫星运转轨道的一组参数，卫星轨道是一个椭圆，经过几个参数和时候，可以唯一肯定卫星的正确位置。

星历的获得有两种方式，一种是卫星间接播发，这类方式的益处是定位进程不依靠卫星信号之外的任何输入，即使没有收集也可以定位成功，但题目是卫星链路带宽很小，要下载完整星历，需要30秒左右的时候，早期的手机和一些车载装备定位进程很慢，就是由于这个缘由。

另一种方式，是经过互联网播发，这类方式叫A-GNSS，具体的传输协议叫SUPL(Secure User Plane Location)，这类数据一般差池利用层透出，在手机上，操纵系统会在底层按时请求SUPL数据，然后将获得的星历注入GNSS芯片。有了A-GNSS，装备便可以在秒级获得定位，不需要任何期待进程，今朝一切的手机都支持这类方式。A-GNSS的办事供给商，主如果通讯运营商，以及一些定位办事商，比如谷歌、千寻等。

卫星不中断的向空中广播信号，这个信号首要包括以下信息：

卫星编号。用于从星历中查找卫星轨道，再结应时候戳获适当前卫星位置
当前时候戳。用于获得卫星位置，另一方面计较伪距。伪距是(当地时候-信号发射时候)*光速，之所以叫伪距，是由于当地时候与卫星时候分歧步，所以这个间隔并不是实在的装备-卫星间隔。
星历数据。用于计较卫星位置。

像其他一切的通讯技术一样，这些信息也是以报文的形式发送的，以GPS为例，卫星会每隔6秒发出一个包，而这个包会分化为数据位-CA码序列-载波波形，经过天线发射到空中。空中装备延续锁定卫星，在解算时，计较每颗卫星当前时辰的时候戳（用比来一次收到的时候戳加上报文偏移量），然落后行位置解算。

载波的频次是1.5G左右，波长20厘米左右，比移动通讯的波长稍长一些，所以信号的穿透性还是比力好的（波长越长，越轻易绕开障碍物），可以穿透比力薄的墙壁或屋顶，所以在一些情况下即使没法间接看到天空，也是能定位的。可是卫星信号是从上往下，在室内很难穿越多层修建。

卫星定位的另一个特点是可以解算出速度，其根据是多普勒频移道理（与交警用的测速仪道理一样）。当信号源与接收装备存在相对活动时，接收到的信号频次会发生变化。

频次变化量与相对速度存在以下公式：

其中，公式左侧是频差和波长，v是装备活动速度（矢量），vj是卫星活动速度（矢量），1j是卫星的投影偏向，dt'是当地装备的频漂速度。只要丈量了4颗星的频差，便可以解出当地装备的活动速度（与装备姿势无关）。

除了定位和测速，定位卫星还可以完玉成球授时（解算进程中获适当地钟差），这也是今朝本钱最低的高精度授时方式，比绝大部分装备自带的时钟都要正确。

一般而言，伪距丈量值精度不如频次丈量精度高（伪距定位精度在10米左右，而多普勒定速精度可以到达0.2米/秒之内，授时精度在20ns），缘由是伪距丈量轻易遭到多种途径误差影响（前面会先容），而频次丈量的干扰身分少很多。

卫星定位成长过程

最早的卫星定位系统，是美国在1960年月开辟的子午仪系统，后续在70年月开辟出了GPS定位系统，今朝的GPS系统由24颗卫星组成。除了GPS，天下多国也开辟出了自己的卫星定位系统，首要的有中国的斗极系统、欧盟的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳兹系统，此外日本和印度在开辟地区定位系统。

除了天上的卫星，各定位系统还需要空中站对卫星的运转停止监测，包括健康度、轨道参数（计较完成后要注入卫星实现全球播发）、信号质量等，别的还需要对卫星停止控制。

各类卫星定位系统利用的技术类似，大多采用中轨道卫星（MEO，卫星高度2万千米），少数采用了地球同步轨道（GEO，卫星高度4万千米）和地球倾斜同步轨道（IGSO）。同时，信号播发大多采用CDMA技术，实现在同一个频次上传输多颗卫星的信号。为了让空中装备可以较好的接收来自几万千米外的信号，信号的数据速度都比力低，比如GPS L1频段的数据传输速度只要50字节/s，按照香农定理，C=B*log2(1+S/N), 在频次带宽B牢固的情况下，随着传输速度C的下降，接收端在信噪比(S/N)比力低的时辰也可以解出正确的信号，有益于延续的锁定、跟踪卫星信号。

与其他定位系统相比，斗极的特点首要有：

亚太地域覆盖好。斗极系统由3颗地球同步卫星、3颗地球倾斜轨道同步卫星和24颗中轨道卫星组成，与GPS相比，斗极有6颗星延续覆盖亚太地域，极大提升了亚太地域可见卫星的颗数，一方面进步定位成功率，另一方面也能提升精度（改良了GDOP，削减了误差）。
斗极的同步卫星可用来停止通讯，空中装备可以将短报文发送到卫星（只用GEO卫星支持短报文）上，然后转发给方针终端，这类通讯是免费的，可是需要专门的天线和装备（需要将信号发射到4万千米远的地方，普通手机必定是不可的）。

多个卫星定位系统的信号同时被收到时，一切的卫星可以一同介入解算（每增加一个系统，只需增加一个新的参数，即这个系统相对于GPS系统的时候差），使得定位精度可以获得提升。今朝手机上没法挑选介入定位的星座大概卫星，所以我们没法指定只用斗极大概不用GPS定位。

我们对照了手机端GNSS定位时，利用分歧系统的占比，可以看出GPS和格洛纳兹由于成长的比力早，在手机芯片侧的渗透率比力高，是以被利用的比例也最高，其次就是斗极。

按介入定位的卫星颗数统计，斗极排在第二位，仅次于GPS。

由于各系统技术类似，其定位精度也是类似的，斗极也不破例，水安定位误差一般在10米之内。垂直定位精度一般会差一些，主如果由于卫星都散布在装备的一侧，垂直偏向上的误差难以批改。

卫星定位接收机组成

卫星定位接收机的道理图如上图所示，首要的模块包括：

1. 天线

用于接收卫星信号。由于卫星信号微小，天线固然是越大越好，可是由于接收机需要移动，天线尺寸遭到制约。天线的首要感化是放大信号和抑制多径，首要的范例有以下几种

左侧的是比力常见的天线，内部是陶瓷天线，内部带磁铁，可以吸附在车顶；中心的是专业天线，旁边带扼流圈，可以抑制来自四周和空中反射的信号，只接收从天顶偏历来的信号，这类天线的结果最好，一般用于专业研讨和高精测绘；右侧是手机天线，长度只要几厘米，结果最差。

卫星信号的电磁波是圆极化的（传布时在垂直于传布偏向的一个平面上波动），是以，采用圆极化天线（如平面的陶瓷天线）访问结果最好。但手机上天线尺寸太小，只能采用线极化天线，信号捕捉才能大幅下降，再加上缺少信号屏障（扼流圈），极易遭到多径效应以及其他信号干扰。

2. 射频前端

这个模块主如果将原始信号停止下变频、功率放大以及滤波，提取真正有用的信号，便于解码处置。

3. 基带处置

这个模块是对卫星信号停止解码，获得卫星报文。每颗卫星的信号需要一个零丁的通道停止处置，倘使有100颗卫星，2个频段，那能够需要200个通道才能有用处置这些信息。通道数越多，可以获得的卫星观察值也就越丰富，定位精度也就越高。

解码的进程，分为搜索-锁定-跟踪三步，首天赋生每颗卫星的伪码，然后与信号停止自相关操纵，相关度到达一定水平便可以锁定卫星，然落后行码锁定、位同步、帧同步，终极提取出报文。这个进程要延续停止，由于多普勒效应，信号的频次会不竭变化，所以当地天生的伪码也要不竭变更频次去适配卫星的变化。一旦落空锁定，就会丧失期号，也就没法定位了。

4. PVT解算

PVT包括Position，Velocity和Time。这一步是真正停止定位的步调，是操纵基带解码获得的报文，提取出时候戳、星历等信息，代入公式停止计较，然后将计较成果输出给利用法式。

定位误差来历与精度提升

卫星定位虽然已经很正确了，可是在某些场景下，还是没法满足需求，比如，打车的时辰定位点离车辆有一定间隔、步导的时辰难以区分偏向甚至会定位到马路劈面、静止的时辰定位点总数飘来飘去、室内的时辰定位点乱飘。这需要从卫星信号的发射、传输、接收进程来诠释。

卫星信号从发射到被装备接收，需要经过大气层，其中，大气电离层稀有千千米厚，这部分大气很是淡薄，可是存在大量被电离的电子，这部分电子会让电磁波变慢一点，从而发生提早。在对流层，也会发生一定的提早。在地表四周，由于各类修建、山体、水面的影响，卫星信号能够被反射或折射（多径效应），发生提早。

在卫星信号发射侧和接收侧，也有很多系统相关的误差，比如时钟误差、处置提早等，这些提早加上传输提早，使得卫星信号的传输时候，并不是正确的即是物理间隔/光速，另一方面，卫星的星历也有误差，卫星位置和实在位置存在误差，终极形成了定位成果发生误差。

要提升定位精度，需要想法子消除这些误差，首要有以下几种计划。

双频GNSS

分歧频次的电磁波经过电离层时会有分歧的提早，人们发现，对两个或多个频次的观察值停止线性组合，可以消除电离层误差，从而能提升精度。这就是双频GNSS定位的道理。小米8是业界第一款支持双频GNSS定位的手机，后续各大厂商均停止了跟进，一些高端手机均采用双频定位。消除电离层误差后，定位精度可以提升到5米之内。

地基/星基增强

星历误差、卫星时钟误差、甚至是电离层和对流层误差都是可以观察或建模的，一旦计较出了实时的误差值，便可以经过一个零丁的通道停止播发，接收装备在定位进程中利用这些批改项，便可以提升定位精度。播发的通道一般有两种，一种是间接经过卫星播发，称为SBAS(Satellite-Based Augmentation System)，益处是覆盖广，但装备需要增加额外的信号接收通道；另一种是地基增强，比如经过互联网，这需要装备具有联网才能。

这些增强方式对于精度提升是有限的，还是有很多误差项没法消除，比如电离层误差。

高精定位-差分定位(RTK)

RTK是Real - time kinematic的缩写，是一种差分定位。其道理是操纵一个参考站供给基准观察值，然后用装备的观察值与基准站的观察值停止差分，差分后可以消掉星历误差、卫星钟差、电离层误差，再停止星间差分后可以进一步消撤除装备的钟差，终极可以算出装备相对基准站的相对坐标，假如基准站位置已知，便可以完成正确的绝对坐标，精度可以到达厘米级甚至毫米级。

RTK能提升精度的另一个缘由是引入了载波相位观察，相比伪距观察值，载波相位观察值的误差更小。

利用RTK，需要在四周20km内有参考站（间隔太远，电离层误差纷歧样，做差分没法完全消除误差），同时需要延续不竭的获得参考站的观察数据（一般经过互联网传输，利用RTCM协议），是以相对普通的定位，RTK定位本钱较高，但对于一些对精度要求很高的场景，比如车道级定位、自动驾驶等，是必不成少的。

RTK办事一般由专业办事商供给，如千寻、六分，这些办事商在全国范围内摆设了数千个基准站，延续对定阅用户播发数据。

高精定位-紧密单点定位(PPP)

RTK需要布设麋集的参考站，有没有法子不依靠参考站？PPP(precise point positioning)就是一种方式，它的道理是对每一种误差停止正确建模，终极求解出卫星和装备之间的正确间隔。为了肯定正确的误差，PPP定位时需要不竭的迭代内部参数，而且，一些卫星的误差只要当卫星位置变化后才能表现出来，所以PPP需要比力长的收敛时候，一般需要30分钟才能收敛到理想的精度，若何更快的收敛是今朝学术界的一个研讨热门。

组合定位

卫星定位的一个最大题目，就是丧失卫星信号后若何定位，这就需要其他定位方式来补充。组合定位是操纵卫星信号和其他定位技术，比如惯性导航，来完成定位，两者相互配合。最简单的一个例子，就是卫星定位是有一个最高频次的，一般最多是10Hz，在两次定位之间，可用惯导来停止位置推算，获得更高频次的位置输出。而组合导航最重要的感化，是提升精度，比如，操纵卡尔曼滤波方式，用惯导计较推算位置，用卫星定位供给观丈量，对推算位置停止批改，这可以让定位成果加倍平滑，而且可以对异常的卫星观丈量停止过滤或降权。

手机上的卫星定位

在移动互联网出现之前，卫星定位终端是一个很专业的范畴，只要测绘、军事等范畴会利用这类技术，定位需要利用公用的接收机，比如Trimble、ublox等。随着智妙手机将卫星定位芯片集成，卫星定位的利用获得爆发式增加，终端数目一会儿提升到几十亿量级，也发生了海量的位置数据。

手机上的卫星定位与专业接收机，还是存在比力大的差别，首要表现在：

手机受限于尺寸，天线比力小，对原始信号的捕捉、锁定、去噪才能都比力差，形成接收到的信号质量自然不如专业接收机。
手机上芯片本钱比力低，支持的通道数比力有限，一次定位可以解码的卫星数目和系统数目都比力少，主如果单频，少数是双频，没有三频。
手机上对功耗、性能开销的要求比力高，不能花费大量资本在定位上，解算算法的复杂度比力低，结果也比力有限，精度比力差。

苹果手机

苹果手机的定位才能是完全封锁的，对外只透出定位成果，内部根基没法拿到任何定位相关的原始观丈量，比如卫星数目、范例等。好消息是，iPhone12终究起头支持斗极了。从苹果的API上，外界甚至没法区分定位成果究竟是来侵占星定位还是收集定位（今朝仅能经过速度的标记来判定，但苹果对此没有任何许诺）。所以，基于苹果手机，我们根基没法做出优化，苹果手机上高德舆图的定位点都是iOS底层间接供给的。

安卓手机

安卓手机比苹果手机开放的多，在定位才能方面供给了一系列API：