1、衛星導航系統的發展

全球衛星導航系統也叫全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS），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和速度以及時間資訊的慷訓無線電導航定位系統，通俗一點解釋就是通過衛星系統，獲取地球上任意點的位置資訊，包括時間、經緯度、海拔、速度等資訊，

全球衛星導航系統包括美國的全球定位系統GPS、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（GALILEO）和中國的北斗衛星導航系統（BDS），其中GPS是世界上第一個建立并用于導航定位的全球系統，2020年中國北斗導航系統完成全球覆寫，
　　
　　除四大全球導航系統外，還有日本的QZSS(準天頂系統）、印度的RNSS區域導航系統，只能為區域提供定位服務，
　　
　　因為GPS的首發時間優勢，以及衛星導航系統應用原理十分接近，部分場合稱呼衛星導航系統都叫GPS，只是習慣問題，并非單指美國的GPS系統，本文部分描述也是基于這個習慣，請注意區分，

2、系統的構成

衛星導航系統的組成基本相同，以美國GPS為例，

2.1 控制部分

GPS控制部分由1個主控站，5個監測站和3個注入站組成，控制部分主要用于監測和控制衛星運行，編算衛星星歷（導航電文），保持系統時間，
主控站：從各個監控站收集衛星資料，計算出衛星的星歷和時鐘修正引數等，并通過注入站注入衛星；向衛星發布指令，控制衛星，當衛星出現故障時，調度備用衛星，
監控站：接收衛星信號，檢測衛星運行狀態，收集天氣資料，并將這些資訊傳送給主控站，
注入站：將主控站計算的衛星星歷及時鐘修正引數等注入衛星，

2.2 空間部分

GPS空間部分主要由24顆GPS衛星構成，其中21顆作業衛星，3顆備用衛星，24顆衛星運行在6個軌道平面上，運行周期為12個小時，保證在任一時刻、任一地點高度角15度以上都能夠觀測到4顆以上的衛星，衛星在太空中會公布它的坐標位置，并且不停地發送導航電文，

2.3 用戶部分

終端設備如手機，開啟GPS功能被動接收衛星信號用于導航定位，接收GPS資訊同收聽收音機廣播一樣，本身是免費的，廣播信號被識訓者不收，它都在那發射，獲取GPS資訊的費用在硬體芯片，終端用戶無需付費，

3、衛星定位原理

假如告知某人，距離北京1000km，可知其所在位置是以北京為圓心，半徑大約1000km的圓上；再告知其距離上海也是大約1000km，同樣道理可知其在兩圓心相交的區域；再告知其距離廣州也在1000km左右，則縮小范圍，大概是湖北神農架，傳說有野人的神秘區域，

同樣的道理，接識訓也是根據多顆衛星到其距離的相交的球面某點，距離是衛星信號到接收器的時間乘以光速，多顆衛星的距離范圍相交點即為接收器位置，

衛星廣播的導航電文是由一組反映衛星在空間的運行軌道、衛星鐘的改正引數、電離層延遲改正引數及衛星的作業狀態等資訊的二進制編碼資料，也稱為資料碼，接識訓獲得了GPS衛星發送的廣播星歷，從星歷引數中求解得到衛星坐標，以及時間戳用于計算距離，

理論上3顆衛星可定位，實際接收器的時鐘精度有限，10的-6次方秒，即1微秒誤差會產生300米的位置偏差，這個精度要求對接收器來說存在巨大成本壓力，因此多加1顆衛星資料去求解接距離差，也就是實作3D定位（經度、緯度、海拔）至少需要4顆衛星，多多益善，

4、影響定位精度的因素

影響定位精度的因素，也就是對衛星與接收器距離計算有影響的不利條件，

4.1 與衛星有關的誤差

1，衛星星歷誤差
2，衛星鐘差
3，相對論效應的影響

4.2 與傳播途徑有關的誤差

1，電離層折射
2，對流層折射
3，多路徑效應

4.3 與接識訓有關的誤差

1，由于熱噪聲、軟體和各通道之間的偏差引起的觀測值誤差
2，接識訓鐘差
3，接識訓周圍環境帶來的誤差

在普通用戶的角度，主要是傳播途徑誤差，也就是環境影響，如天氣（云層、雨雪、磁場）、建筑（高樓）、金屬（車載定位器汽車外殼，含金屬的保護膜），這些因素會降低信號強度，或者導致多徑效應影響直線距離偏差，最終影響定位精度，尤其是接識訓靜止時，影響更明顯，俗稱靜態漂移，只能通過信號強度或者其他傳感器（如加速度、角速度）來過濾可疑點，

4.4 地圖加密

經緯度映射到地圖顯示位置，在國內因為政策考慮，須進行特殊處理，否則經緯度對應的地圖位置，與實際位置存在較大偏差，

國際上采用的地心坐標系，坐標原點為地球質心，其地心空間直角坐標系的Z軸指向BIH （國際時間服務機構）1984.0定義的協議地球極（CTP)方向，X軸指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸垂直構成右手坐標系，稱為1984年世界大地坐標系統，

GCJ-02 是由中國國家測繪局（G表示Guojia國家，C表示Cehui測繪，J表示Ju局）制訂的地理資訊系統的坐標系統，在WGS84經緯度的基礎上執行加密演算法而成，原始經緯度直接在 GCJ-02 坐標系下會定位到錯誤的地點，有種到了火星的感覺，因此也將 GCJ-02 戲稱為火星坐標系，這是國家測繪局的國土安全考慮，國內如百度地圖、高德地圖等都需遵守，對實際位置服務，就需將原始經緯度進行轉換再映射到地圖坐標，也就是地圖糾偏，

5、提高定位精度

單點定位或絕對定位，就是通過一個接收器來確定位置，可通過對大量觀測資料的分析、擬合而建立起來的經驗公式，削弱因相對論效應、電離層延遲、對流層延遲、衛星鐘差，簡單說就是單機持續作業再通過軟體演算法提高精度，

5.1 差分定位

定位精度較高的是差分定位，或稱相對定位，通過增加一個參考接收器來提高定位精度，利用兩臺接收器同時觀測衛星信號，在一臺接收器位置已知的情況下，可以算出此時此刻此區域的信號修正值，然后將該值同步更新到另一臺接收器，輔助算出一個準確程度非常高的位置，

簡單理解為已知參考點甲坐標100，但實際測到101，則可知此時此刻此地因為外界干擾會導致結果比實際大1，那么在附近的乙測得坐標為98，那實際可以糾正為97，

5.2 地基增強系統

差分定位原理擴展后，可以在地面建立分布建立衛星觀測站參考點，不斷根據測量位置與已知實際位置的偏差值更新，通過網路交換告知周圍的接收器，用于校準糾偏，提高定位精度，這種在方式稱為地基增強系統，例如千尋位置、全圖通、中海北斗等也是類似原理，將地基增強系統的糾偏資訊保存在服務器，其他定位終端通過網路獲取參考資訊，來提高定位精度，但這不是免費的，而且應用范圍有限；對接收器也需具備下載高精度定位參考資訊的能力，如支持移動通信網路，這也是成本，

5.3 星基增強系統

有地面有增強系統，同樣有天空版本，即星基增強系統（Satellite Based Augmentation Systems SBAS)，利用地球靜止軌道衛星建立的地區性廣域差分增強系統，SBAS 系統主要由地面參考基站，主控站，上傳站和地球同步衛星四部分組成，通過衛星發布包括衛星星歷誤差改正、衛星鐘差改正和電離層改的資訊，接識訓直接以此參考資訊進行校準，這種方式對接收器要求低，但是定位精度提高有限，

目前全球發展的SBAS系統

歐空局接收衛星導航系統(EGNOS)，覆寫歐洲大陸；
美國的DGPS(Differential GPS)，美國雷聲公司的廣域增強系統(WAAS)，覆寫美洲大陸；
日本的多功能衛星增強系統（MSAS），覆寫亞洲大陸；
印度的GPS輔助型靜地軌道增強導航（GAGAN）

5.4 雙頻定位

雙頻定位，根據兩個不同頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，從而提供更準確的定位資訊，

以GPS為例，其發射導航電文載波頻率是.L1的頻段1575.42MHz，L5頻段的1176.45MHz，L5的波長更長，傳輸衰減更小，因此同樣環境下信號達到地面的功率更高，同樣條件L5信號比L1信號的功率高6dB也就是4倍左右，電離層折射產生定位誤差，支持L1、L5雙頻的接識訓可以用兩種頻率的觀測值加以組合來進行修正，支持雙頻可以提高定位精度，尤其是空曠地方，但弱信號區域效果不太明顯，

6、加快定位速度

接收器需要至少收到4顆衛星的導航電文才能3D定位，在任意位置和任意時間，因為接收器對當前衛星的分布情況完全未知，只能逐個掃描，這樣稱為冷啟動，一般情況下搜尋定位需40s，熱啟動是在附近2小時內曾定位過，再次啟動時，接收器根據快取的衛星資訊和時間推算，以此為參考提高搜星的效率，一般情況下小于3秒，冷啟動與熱啟動中間的狀態啟動稱為溫啟動，

溫啟動和冷啟動定位慢，是因為接識訓內無當前衛星星歷資料，若采用其他方式如移動通信網路，將當前的衛星星歷告知接識訓，接識訓可以有針對性的搜索，提高定位效率，該方案俗稱輔助全球衛星定位系統（Assisted Global Positioning System，簡稱AGPS），

AGPS一般為接識訓提供當前UTC時間、當前大概位置、星歷資料三種，根據這些資訊，接識訓推導運算得出此時此地的衛星資訊，有針對的掃描，因此定位速度快，但不能提高定位精度，

AGPS可加快定位速度，是基于當前即使沒有AGPS輔助也能定位的場合，假如在室內不可能定位的場合，即使正確的注入AGPS資料也是完全無用，

AGPS提供的星歷根據其有效期分為在線版和離線包，在線版表示注入的資料一般2小時內有效，離線包有效期比較長，但是隨著時間推移其效果是逐漸減弱的；而且離線包一般較大，比較耗流量，

目前芯片廠家免費提供AGPS星歷資料，接識訓通過TCP或者http下載，傳聞未來將統一開始收費，AGPS功能的前提是接收器具備聯網功能，如果無法聯網，也可以每2小時內定時開啟衛星定位，更新芯片內快取，且不斷電清快取，缺點是平均功耗大，

7、NMEA協議

NMEA 是美國國家海洋電子協會（National Marine Electronics Association ）為海用電子設備制定的標準格式，GPS導航設備統一的 RTCM 標準協議，每種都是獨立相關的 ASCII 格式，使用逗號隔開資料，NMEA 實際上已成為所有的衛星導航系統接識訓通用的資料輸出格式，

NMEA-0183 協議定義的陳述句非常多，但是常用的或兼容性最廣的陳述句如下

前面提到，目前全球衛星導航系統有四種，美國的全球定位GPS、俄羅斯的格洛納斯GLONASS、歐盟的伽利略GALILEO和中國的北斗衛星導航系統BDS，一般定位芯片支持至少1種定位系統，但不管支持哪些系統，輸出的NMEA資料格式都是統一的，差異只是關鍵字前面的前2字符，例如RMC包，單GPS的為GPRMC，單格洛納斯為GLRMC，單伽利略為GARMC，單北斗的為BDRMC（個別芯片是GBRMC），包含多個系統資訊組合的則為GN開頭，如GNRMC，后面部分格式、含義則完全相同，

8、衛星導航系統的應用

衛星導航系統應用廣泛，與普通大眾相關的諸如滴滴打車，司乘雙方定位與目的地導航；美團外賣，搜索附近店鋪以及送餐到家；長途自駕的高德導航、百度地圖；汽車防盜、人員追蹤的定位器，更多資訊請關注微信公眾號【嵌入式系統】，衛星導航、位置服務已經滲透到各行各業，未來高精度定位、萬物互聯具有一定的市場價值，