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2020 年 6 月 23 日 9 點 43 分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了北斗系統(tǒng)第五十五顆導航衛(wèi)星，也是北斗三號的最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星。至此，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座部署全面完成。
新聞出來之后，國人為之振奮，紛紛點贊轉發(fā)。社會各界對衛(wèi)星定位產(chǎn)業(yè)的關注度，也沖上了新高。
那么，像北斗這樣的衛(wèi)星系統(tǒng)，究竟是如何實現(xiàn)定位的呢？為了實現(xiàn)更好的定位效果，它引入了哪些關鍵技術？衛(wèi)星定位產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，正在進入怎樣的階段？
今天這篇文章，我們就來聊聊衛(wèi)星定位系統(tǒng)的那些事兒。
什么是 GNSS???
首先，我們要知道，北斗和大家更為熟悉的 GPS，都屬于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，也就是 GNSS（Global Navigation Satellite System）。
北斗是我們中國自主研發(fā)和建設的 GNSS 系統(tǒng)。而 GPS，是美國的 GNSS 系統(tǒng)，也是全球最早的 GNSS 系統(tǒng)（開始于 1973 年，1995 年全面投入運行）。
同樣具備全球覆蓋能力的 GNSS 系統(tǒng)，還包括俄羅斯的 GLONASS 和歐洲的 Galileo。
除了全球性的衛(wèi)星系統(tǒng)之外，GNSS 還包括一些區(qū)域性的系統(tǒng)（例如日本的準天頂系統(tǒng) QZSS 和印度的 IRNSS），以及增強系統(tǒng)（例如美國的 WAAS、日本的 MSAS 和歐盟的 EGNOS 等）。增強系統(tǒng)，是基于全球或區(qū)域系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，可以滿足更多場景需求。
GNSS 的類別
GNSS 的作用是定位和導航。準確來說，它還有一個普通人不太注意的功能，那就是授時。
學術上對 GNSS 的定義是這么說的：
全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，是能在地球表面或近地空間的任何地點，為用戶提供全天候的三維坐標、速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統(tǒng)。
看明白了吧，三維坐標、速度、時間信息，是 GNSS 的必備功能。這三個信息，我們通常稱之為 PVT（Position Velocity and Time）。
值得一提的是，咱們國家的北斗系統(tǒng)還有一個獨特的功能，那就是短報文（也就是文字信息）。在關鍵時候，這個功能可以發(fā)揮很大的作用。
GNSS 的工作原理???
那么，GNSS 是如何幫助用戶獲取 PVT 信息的呢？
我們來做一個非常簡單的立體幾何數(shù)學題。
眾所周知，地球表面的任何一個位置，都有它的三維坐標，也就是經(jīng)度、緯度和高程。它頭頂上的 GNSS 衛(wèi)星，也有自己的三維坐標。
那么，我們把整個空間看成一個坐標系，可以畫一個立方體。立方體的兩個對角，分別是用戶和衛(wèi)星，如下：
根據(jù)中學立體幾何的知識，我們可以知道，衛(wèi)星和用戶之間的距離△L（這個距離也被稱為“偽距”），是：
衛(wèi)星的坐標是（x’,y’,z’），這是已知的。用戶的坐標是（x,y,z），這是未知的。
與此同時，衛(wèi)星可以給用戶終端發(fā)信號，信號的傳輸速度基本上幾乎等同于光速 c。而衛(wèi)星上面有精度極高的原子鐘，所以知道自己的時間是 t。假設用戶終端的時間是 t’，那么，衛(wèi)星和用戶之間的距離△L，又可以通過下面這個公式算出：
兩個公式一合并，就變成了：
一個公式里有 4 個未知數(shù)（x,y,z,t），大家都懂的，這個公式是解不出來滴。
怎么才能解出來？再列三個公式唄。
也就是說，再找 3 個衛(wèi)星的坐標值，組成 4 個四元方程，就 OK 了。
這就是為什么，一個用戶終端要想解算出自己的準確位置，必須要有至少 4 顆衛(wèi)星。
很簡單的數(shù)學知識，不難理解吧？
GNSS 的關鍵技術???
雖然 GNSS 的工作原理看似簡單，但真正想要把這個系統(tǒng)做好，是非常困難的。
衡量一個 GNSS 系統(tǒng)是否足夠優(yōu)秀，主要看它的精度、速度和靈敏度。這個速度，主要是指從啟動定位設備到首次正常定位所需的時間，也稱為 TTFF（Time to First Fix）。
影響 GNSS 定位精度的主要原因，是誤差。誤差既來自系統(tǒng)的內部，也來自外部。例如穿透電離層和對流層時產(chǎn)生的誤差，還有衛(wèi)星高速移動產(chǎn)生的多普勒效應引起的誤差，以及多徑效應誤差、通道誤差、衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、內部噪聲誤差等等。
這些誤差，有些是可以完全消除的，也有些是無法消除或只能部分消除的。消除水平的高低，直接決定了系統(tǒng)的準確性和可靠性。
為了更好地消除誤差、提高反應速度，GNSS 會引入一些天基或陸基的輔助手段。結合輔助手段的 GNSS，也被稱為 A-GNSS。A 就是 Assisted，“輔助”的意思。
現(xiàn)在比較常用的，是通過陸基的移動通信網(wǎng)絡，傳送增強改正數(shù)據(jù)，提供輔助信息，加強和加快衛(wèi)星導航信號的搜索跟蹤性能和速度，縮短定位時間，提高定位精度。
A-GNSS 系統(tǒng)架構
除了 A-GNSS 之外，GNSS 還引入了一些關鍵技術，幫助提升系統(tǒng)性能。
首先是 RTK 技術。
RTK（Real-time kinematic），稱為實時動態(tài)差分法，又稱為載波相位差分技術，是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法，包括傳統(tǒng) RTK 和網(wǎng)絡 RTK。
傳統(tǒng) RTK 模式，只有一個基準站。網(wǎng)絡 RTK 模式，有多個基準站。
以網(wǎng)絡 RTK 為例，多個基準站會采集監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)給控制中心，控制中心針對數(shù)據(jù)進行粗差剔除后，再進行解算，并最終將改正信息發(fā)給用戶。
網(wǎng)絡 RTK 的覆蓋范圍很快，可以距離用戶上百公里。而且，網(wǎng)絡 RTK 擁有更高的精度和穩(wěn)定性。
然后是慣性導航技術。
GNSS 衛(wèi)星定位雖然方便，但容易受客觀條件的影響。例如隧道、森林等路段，GNSS 信號容易中斷。此時，就需要臨時采用其它的輔助手段。
航位推算（DR，Dead Reckoning），就是一種自主式的慣性導航技術。通過采用加速度傳感器和陀螺儀傳感器，結合一些專用算法，它可以根據(jù)用戶終端（例如車輛）的初始位置信息以及傳感器獲得的信息，推算出用戶終端在盲區(qū)位置的高精度導航數(shù)據(jù)。
DR 和 GNSS 有很強的互補性，一方面 DR 可以幫助補盲，另一方面 GNSS 也能對 DR 進行實時糾偏，幫助 DR 推測出更準確的位置。
此外，就是雙頻技術。
所謂雙頻，很好理解，就是 GNSS 模組同時支持多個不同 GNSS 系統(tǒng)的不同頻段，以此增強信號的接收能力。
四大導航系統(tǒng)工作頻率表
GNSS 的應用場景???
在眾多黑科技的加持下，GNSS 系統(tǒng)目前已經(jīng)具備極高的響應速度和定位精度，也有非?？煽康姆€(wěn)定性。行業(yè)主流 GNSS 模組的 TTFF 速度目前已經(jīng)提升為秒級，定位精度也從十米級、米級提升為亞米級、分米級甚至厘米級。
這些指標已經(jīng)完全能夠滿足大部分的行業(yè)應用需求。例如交通、水利、減災、海事、勘探、建筑等領域，現(xiàn)在都在大量使用 GNSS 模組。
上述場景中，應用最為廣泛且最值得關注的，是車載 GNSS 模組的應用。
隨著“萬物互聯(lián)”時代的到來，車聯(lián)網(wǎng)作為核心應用，正在進入爆發(fā)期。
雖然我們總是強調 5G 對車聯(lián)網(wǎng)的重要意義，但不可忽視的是，GNSS 定位導航服務，同樣是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必備條件。
試想一下，如果沒有高性能 GNSS 車載模組的支持，車輛連自己的準確位置信息都不知道，可以說是寸步難行。
GNSS 車載模組能夠為自動駕駛、遠程駕駛提供了可靠的定位、導航和測距數(shù)據(jù)來源，是 ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）不可或缺的組成部分。
除了保障正常駕駛之外，GNSS 車載模組還可以用于車輛防盜、緊急救援、集群調度、車隊管理等應用需求。
對于企業(yè)來說，車輛是重要的運營資產(chǎn)。車輛的位置信息，是重要的管理數(shù)據(jù)。
GNSS 車載模組可以幫助企業(yè)掌握實時數(shù)據(jù)，跟蹤車輛位置，更有效地管理這些資產(chǎn)。對于一些特種車輛，例如危險品運輸車，GNSS 車載模組的重要性更是不言而喻。
目前，物聯(lián)網(wǎng)模組行業(yè)龍頭移遠通信已有多款車規(guī)級 GNSS 車載模組投入市場，包括 LG69T/L26-DR/L26-T/L26-P 等多個型號產(chǎn)品，均取得了不錯的反響。
移遠通信車規(guī)級雙頻高精度定位模組 LG69T，支持 RTK 和 DR 技術，在大型整車廠及 Tier 1 客戶中備受青睞。該模組嚴格按照 IATF 16949:2016 汽車行業(yè)質量管理體系標準而制造，其關鍵器件符合 AEC-Q100 標準要求，可同時接收多個 GNSS 衛(wèi)星信號，并在數(shù)秒內收斂到厘米級定位精度——在開闊環(huán)境下，可以輸出精度 5 厘米的定位數(shù)據(jù)。即使在諸如城市峽谷等復雜環(huán)境中，LG69T 也可實現(xiàn)亞米級精度，全面提升定位性能。據(jù)悉，LG69T 有望最早在 2021 年量產(chǎn)的車型中投入使用。
移遠通信 L26-DR 支持 DR 慣性導航技術，集成了 6 軸傳感器和 GNSS 算法引擎，具備出色的融合定位性能，可在隧道等無 GNSS 信號環(huán)境下實現(xiàn) 1-2 米定位精度，為追蹤器、T-Box、車載導航、車隊管理、物流信息管理等等汽車、工業(yè)和消費類應用提供了理想選擇。
結 語???
經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，GNSS 系統(tǒng)從當初的 GPS 一家獨大，到現(xiàn)在變成 GPS、北斗、GLONASS、伽利略等多系統(tǒng)共存，可以說是取得了長足的進步。如今的 GNSS 系統(tǒng)，已經(jīng)具備提供全方位、全天候、高精度、高速率定位導航服務的能力。
GNSS 變成了重要的國家級數(shù)字化基礎設施，對推動數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展有重要意義。圍繞 GNSS，目前已經(jīng)衍生出了一系列具有增值潛力的服務場景。越來越多的公司企業(yè)，正在加入 GNSS 的上下游產(chǎn)業(yè)鏈。
GNSS，未來可期！
