“北斗”背后的GNSS技術(shù)，到底是個(gè)啥？

2020 年 6 月 23 日 9 點(diǎn) 43 分，我國(guó)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(dǎo)航衛(wèi)星，也是北斗三號(hào)的最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星。至此，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成。

新聞出來(lái)之后，國(guó)人為之振奮，紛紛點(diǎn)贊轉(zhuǎn)發(fā)。社會(huì)各界對(duì)衛(wèi)星定位產(chǎn)業(yè)的關(guān)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(shí)現(xiàn)定位的呢？為了實(shí)現(xiàn)更好的定位效果，它引入了哪些關(guān)鍵技術(shù)？衛(wèi)星定位產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，正在進(jìn)入怎樣的階段？

今天這篇文章，我們就來(lái)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?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，也就是 GNSS（Global Navigation Satellite System）。

北斗是我們中國(guó)自主研發(fā)和建設(shè)的 GNSS 系統(tǒng)。而 GPS，是美國(guó)的 GNSS 系統(tǒng)，也是全球最早的 GNSS 系統(tǒng)（開(kāi)始于 1973 年，1995 年全面投入運(yùn)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(zhǔn)天頂系統(tǒng) QZSS 和印度的 IRNSS），以及增強(qiáng)系統(tǒng)（例如美國(guó)的 WAAS、日本的 MSAS 和歐盟的 EGNOS 等）。增強(qiáng)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(chǎng)景需求。

GNSS 的類別

GNSS 的作用是定位和導(dǎo)航。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，它還有一個(gè)普通人不太注意的功能，那就是授時(shí)。

學(xué)術(shù)上對(duì) GNSS 的定義是這么說(shuō)的：

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)，為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)、速度以及時(shí)間信息的空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

看明白了吧，三維坐標(biāo)、速度、時(shí)間信息，是 GNSS 的必備功能。這三個(gè)信息，我們通常稱之為 PVT（Position Velocity and Time）。

值得一提的是，咱們國(guó)家的北斗系統(tǒng)還有一個(gè)獨(dú)特的功能，那就是短報(bào)文（也就是文字信息）。在關(guān)鍵時(shí)候，這個(gè)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(lái)做一個(gè)非常簡(jiǎn)單的立體幾何數(shù)學(xué)題。

眾所周知，地球表面的任何一個(gè)位置，都有它的三維坐標(biāo)，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(biāo)。

那么，我們把整個(gè)空間看成一個(gè)坐標(biāo)系，可以畫(huà)一個(gè)立方體。立方體的兩個(gè)對(duì)角，分別是用戶和衛(wèi)星，如下：

根據(jù)中學(xué)立體幾何的知識(shí)，我們可以知道，衛(wèi)星和用戶之間的距離△L（這個(gè)距離也被稱為“偽距”），是：

衛(wèi)星的坐標(biāo)是（x’,y’,z’），這是已知的。用戶的坐標(biāo)是（x,y,z），這是未知的。

與此同時(shí)，衛(wèi)星可以給用戶終端發(fā)信號(hào)，信號(hào)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(shí)間是 t。假設(shè)用戶終端的時(shí)間是 t’，那么，衛(wèi)星和用戶之間的距離△L，又可以通過(guò)下面這個(gè)公式算出：

兩個(gè)公式一合并，就變成了：

一個(gè)公式里有 4 個(gè)未知數(shù)（x,y,z,t），大家都懂的，這個(gè)公式是解不出來(lái)滴。

怎么才能解出來(lái)？再列三個(gè)公式唄。

也就是說(shuō)，再找 3 個(gè)衛(wèi)星的坐標(biāo)值，組成 4 個(gè)四元方程，就 OK 了。

這就是為什么，一個(gè)用戶終端要想解算出自己的準(zhǔn)確位置，必須要有至少 4 顆衛(wèi)星。

很簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)知識(shí)，不難理解吧？

GNSS 的關(guān)鍵技術(shù)???

雖然 GNSS 的工作原理看似簡(jiǎn)單，但真正想要把這個(gè)系統(tǒng)做好，是非常困難的。

衡量一個(gè) 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(gè)速度，主要是指從啟動(dòng)定位設(shè)備到首次正常定位所需的時(shí)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(lái)自系統(tǒng)的內(nèi)部，也來(lái)自外部。例如穿透電離層和對(duì)流層時(shí)產(chǎn)生的誤差，還有衛(wèi)星高速移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)引起的誤差，以及多徑效應(yīng)誤差、通道誤差、衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、內(nèi)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(wú)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(zhǔn)確性和可靠性。

為了更好地消除誤差、提高反應(yīng)速度，GNSS 會(huì)引入一些天基或陸基的輔助手段。結(jié)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(guò)陸基的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，傳送增強(qiáng)改正數(shù)據(jù)，提供輔助信息，加強(qiáng)和加快衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的搜索跟蹤性能和速度，縮短定位時(shí)間，提高定位精度。

A-GNSS 系統(tǒng)架構(gòu)

除了 A-GNSS 之外，GNSS 還引入了一些關(guān)鍵技術(shù)，幫助提升系統(tǒng)性能。

首先是 RTK 技術(shù)。

RTK（Real-time kinematic），稱為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法，又稱為載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分方法，包括傳統(tǒng) RTK 和網(wǎng)絡(luò) RTK。

傳統(tǒng) RTK 模式，只有一個(gè)基準(zhǔn)站。網(wǎng)絡(luò) RTK 模式，有多個(gè)基準(zhǔn)站。

以網(wǎng)絡(luò) RTK 為例，多個(gè)基準(zhǔn)站會(huì)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)給控制中心，控制中心針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除后，再進(jìn)行解算，并最終將改正信息發(fā)給用戶。

網(wǎng)絡(luò) RTK 的覆蓋范圍很快，可以距離用戶上百公里。而且，網(wǎng)絡(luò) RTK 擁有更高的精度和穩(wěn)定性。

然后是慣性導(dǎo)航技術(shù)。

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(hào)容易中斷。此時(shí)，就需要臨時(shí)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(dǎo)航技術(shù)。通過(guò)采用加速度傳感器和陀螺儀傳感器，結(jié)合一些專用算法，它可以根據(jù)用戶終端（例如車(chē)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(dǎo)航數(shù)據(jù)。

DR 和 GNSS 有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，一方面 DR 可以幫助補(bǔ)盲，另一方面 GNSS 也能對(duì) DR 進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，幫助 DR 推測(cè)出更準(zhǔn)確的位置。

此外，就是雙頻技術(shù)。

所謂雙頻，很好理解，就是 GNSS 模組同時(shí)支持多個(gè)不同 GNSS 系統(tǒng)的不同頻段，以此增強(qiáng)信號(hào)的接收能力。

四大導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻率表

GNSS 的應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)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(jí)，定位精度也從十米級(jí)、米級(jí)提升為亞米級(jí)、分米級(jí)甚至厘米級(jí)。

這些指標(biāo)已經(jīng)完全能夠滿足大部分的行業(yè)應(yīng)用需求。例如交通、水利、減災(zāi)、海事、勘探、建筑等領(lǐng)域，現(xiàn)在都在大量使用 GNSS 模組。

上述場(chǎng)景中，應(yīng)用最為廣泛且最值得關(guān)注的，是車(chē)載 GNSS 模組的應(yīng)用。

隨著“萬(wàn)物互聯(lián)”時(shí)代的到來(lái)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)作為核心應(yīng)用，正在進(jìn)入爆發(fā)期。

雖然我們總是強(qiáng)調(diào) 5G 對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的重要意義，但不可忽視的是，GNSS 定位導(dǎo)航服務(wù)，同樣是車(chē)聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必備條件。

試想一下，如果沒(méi)有高性能 GNSS 車(chē)載模組的支持，車(chē)輛連自己的準(zhǔn)確位置信息都不知道，可以說(shuō)是寸步難行。

GNSS 車(chē)載模組能夠?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%87%AA%E5%8A%A8%E9%A9%BE%E9%A9%B6/">自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程駕駛提供了可靠的定位、導(dǎo)航和測(cè)距數(shù)據(jù)來(lái)源，是 ADAS（高級(jí)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(chē)載模組還可以用于車(chē)輛防盜、緊急救援、集群調(diào)度、車(chē)隊(duì)管理等應(yīng)用需求。

對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，車(chē)輛是重要的運(yùn)營(yíng)資產(chǎn)。車(chē)輛的位置信息，是重要的管理數(shù)據(jù)。

GNSS 車(chē)載模組可以幫助企業(yè)掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，跟蹤車(chē)輛位置，更有效地管理這些資產(chǎn)。對(duì)于一些特種車(chē)輛，例如危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)，GNSS 車(chē)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(yuǎn)通信已有多款車(chē)規(guī)級(jí) GNSS 車(chē)載模組投入市場(chǎng)，包括 LG69T/L26-DR/L26-T/L26-P 等多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品，均取得了不錯(cuò)的反響。

移遠(yuǎn)通信車(chē)規(guī)級(jí)雙頻高精度定位模組 LG69T，支持 RTK 和 DR 技術(shù)，在大型整車(chē)廠及 Tier 1 客戶中備受青睞。該模組嚴(yán)格按照 IATF 16949:2016 汽車(chē)行業(yè)質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)而制造，其關(guān)鍵器件符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)要求，可同時(shí)接收多個(gè) GNSS 衛(wèi)星信號(hào)，并在數(shù)秒內(nèi)收斂到厘米級(jí)定位精度——在開(kāi)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(fù)雜環(huán)境中，LG69T 也可實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)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(chē)型中投入使用。

移遠(yuǎn)通信 L26-DR 支持 DR 慣性導(dǎo)航技術(shù)，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(wú) GNSS 信號(hào)環(huán)境下實(shí)現(xiàn) 1-2 米定位精度，為追蹤器、T-Box、車(chē)載導(dǎo)航、車(chē)隊(duì)管理、物流信息管理等等汽車(chē)、工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用提供了理想選擇。

結(jié) 語(yǔ)???

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，GNSS 系統(tǒng)從當(dāng)初的 GPS 一家獨(dú)大，到現(xiàn)在變成 GPS、北斗、GLONASS、伽利略等多系統(tǒng)共存，可以說(shuō)是取得了長(zhǎng)足的進(jìn)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(dǎo)航服務(wù)的能力。

GNSS 變成了重要的國(guó)家級(jí)數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)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(wù)場(chǎng)景。越來(lái)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(lái)可期！