卫星定位技术学习笔记之GNSS定位基本原理与基本概念

上一篇文章《卫星定位技术学习笔记》已经介绍了GNSS定位技术，并简单介绍了高精度定位技术。 目前，户外应用最广泛的定位方式是GNSS定位。 常规GNSS定位精度约为5~10米，无法满足高精度场景的应用。 如何提高GNSS定位性能是亟待解决的问题。 本文由浅入深分析了GNSS定位原理，介绍了如何实现厘米级高度定位。

2.GNSS定位原理

1. GNSS基本概念

全球导航卫星系统（GNSS：）是一个基于卫星的无线电导航系统。 该系统可以提供时间/空间参考以及与位置信息相关的所有实时动态信息，也称为天基系统。 GNSS 与 GPS 相同吗？ 答案是不。 GNSS包括许多国家的不同星座系统，主要有美国的GPS系统、欧盟的伽利略系统、俄罗斯的系统、中国的北斗系统等，还有其他区域定位系统，如日本的QZSS。 等待。

图1 四大卫星星座

每个GNSS星座由空间星座部分、地面控制部分和用户设备部分组成。 空间部分提供我们定位所需的各种信息，包括星历（卫星轨道参数等信息）、发射测距信号等； 地面控制该部分的主要功能是根据监测到的GNSS观测数据计算卫星的星历和卫星钟修正参数，并反馈给卫星。 同时可以控制卫星、发出指令等； 用户设备接收卫星信号并进行一定的计算，可以获得自己的位置和时间等信息。

2. GNSS定位的基本原理

GNSS定位的基本原理是基于测距的，即根据测量的卫星与用户设备之间的距离计算出用户自身的位置。 我们可以利用哪些信息来计算卫星与用户之间的距离？ 知道了距离信息后，需要结合哪些信息来计算出用户自己的位置呢？

首先分析如何获取卫星与用户的距离。 接收机（即用户设备，后面直接简称为接收机）一般可以获得两种距离测量信息，一种是伪距测量，另一种是载波相位测量。 下面对它们进行解释。 接收器可以按照一定的方法接收卫星发射的信号，并记录接收器当前的时间。 卫星传输时间已知，因此可以得到信号在空间传播的时间。 由于信号传播速度为光速，因此测量的距离pr称为伪距，即pr不是真实的距离，存在一定的误差。

图2 伪距测量

另一种类型的距离信息是载波相位测距。 载波相位测距并不是根据信号空间传播时间来完成测量，而是利用电磁波的相位周期性来完成测量。 由于GNSS信号是电磁波，相位是周期性的，所以真正的相位应该是N个整数周期+1个非整数相位。 非积分部分可以通过锁相环精确求得，而积分部分N是不确定的，需要通过其他方式确定，即Cp=(N+γ)*in ，其中N为整数，γ 一般未知，为非整数部分，λ 为信号波长。

图3 载波相位测距

载波相位测距和伪测距有什么区别？ 主要区别在于准确性。 伪距精度一般为~1m。 当载波相位整数模糊度正确固定时，精度为~0.001m。 因此，基于伪距的定位精度一般为米级，基于载波相位的定位精度可达厘米级。 班级。

当我们获得卫星到接收器的距离后，我们需要结合哪些信息来计算接收器的位置？ 事实上，我们还有另一条信息。 星历信息。 根据星历信息，我们可以得到卫星每一时刻的位置和速度。 结合卫星位置以及卫星与接收机之间的距离，可以通过最小二乘法或扩展卡尔曼滤波来确定接收机。 的位置。

图4 GNSS定位基本原理

3、GNSS定位难点

正如第 2 节中提到的，接收器的位置可以很容易计算出来。 GNSS定位真的那么简单吗？ 我们来详细看看伪距测量和载波测量中的误差源： ① GNSS时钟与接收机不同步； ② 不同GNSS之间的时钟也不同步； ③ 接收机时钟普遍漂移； ④ GNSS信号发射过程中； 信号经过大气层和对流层后，会有反射和折射，因此实际测距或相位并不是真实距离； ⑤ 接收机与卫星之间可能存在多径效应，导致接收到的信号不是直达信号； ⑥ 很多地方只能接收很少的卫星，无法满足定位需求； ⑦ 部分地方GNSS信号完全被遮挡，无法完成定位。 以上仅列出了一些错误来源。 实际情况可能更复杂，分类如下：

与卫星相关的误差：卫星轨道误差、卫星时钟误差；

与标志路径相关的错误：电离层延迟、对流层延迟、多径效应

与接收设备相关的误差：接收机天线相位中心的偏移和变化、接收机时钟误差等；

下图示意性地列出了各个误差源：

图5 传播过程中的测距误差

4.GNSS定位误差消除方法

消除上述误差一般有两种思路：①模型修正法：对误差进行建模来估计和补偿； ②差异法：通过差异消除或削弱特定误差。 根据如何消除这些误差源，实时GNSS定位可以简单分为单点定位和RTK定位。

直接根据测量的伪距信息完成单点定位。 在定位过程中，对接收机时钟误差进行建模。 一些算法将对电离层和对流层进行建模。 计算时使用的广播星历精度较低，最终定位精度一般为米级。

PPP是精密单点定位。 它利用精确的星历，对接收机和卫星的时钟误差、时钟漂移、电离层和对流层进行建模，以实现更高精度的定位。 PPP定位精度可以达到10cm，但普遍收敛。 时间比较慢，需要30多分钟。

RTK即实时动态定位。 除了使用接收机接收到的信息外，还使用来自差分基站的信息。 差分站是具有准确已知位置的高精度接收器。 它可以接收与用户接收器类似的 GNSS 信息。 差分站接收到GNSS信号后，通过网络传输给用户接收机。 用户接收器接收来自自身的 GNSS 信号。 差分站接收到的信号与信息的差异可以完全消除时钟误差、卫星轨道等参数的影响，也可以减弱电离层和对流层的影响。 为什么要削弱而不是消除它？ 因为这里我们假设卫星到用户接收机传播路径中的电离层和对流层特性与卫星到差分站接收机传播路径中的电离层和对流层特性一致。 但在实际场景中，两者虽然不一致，但却比较接近，因此可以减弱电离层和对流层的影响。

差分定位意图包括：站间差异、星间差异和历元间差异。

图6 差分定位示意图

差分定位的优点：①消除或减弱某些系统误差的影响； ②减少调整计算中的未知数。 差分定位的缺点：①原始独立观测值之间的差异会造成差异分量之间的相关性； ②平差计算中，差分法会显着减少观测方程的数量。

5. RTK算法基本原理

RTK算法是最常用的GNSS高空定位技术。 在开放场景下，定位精度达到厘米级，几秒内即可完成。

在上一节中，我们介绍了测量误差的校正。 误差修正后，我们可以利用修正后的测距信息来计算定位结果。 高精度定位必须利用载波相位进行定位，但载波相位存在整数模糊度问题，即必须准确地知道整数模糊度才能得到准确的定位结果。 因此，RTK算法的核心是整数模糊度固定。

理论上，整数模糊度N必须是整数。 然而，我们基于最小二乘法或卡尔曼滤波器估计的N不是整数，而是实数。 如何根据实数得到整数？ 最基本的方法是搜索实数N附近的所有整数，评估定位误差，选择误差最小的整数组合作为实整数N。由于测量信息中存在载波相位和伪距，因此两者的测量精度相差较大，导致搜索空间巨大，整周模糊度高，复杂度高。 因此，我们可以通过数据转换消除参数之间的相关性，缩小搜索空间，提高算法效率。 常用的方法有等。如下图所示：参数变换前后，搜索空间显着减小。

图7 参数空间变换前后搜索空间对比

3、RTK算法的缺点及改进方法

RTK定位可以在相对开放的环境下实现厘米级的定位性能，满足较高的定位要求。 但在复杂环境下定位性能无法保证。 因此，仅依靠RTK无法实现全场景的高精度。 我们必须采用其他手段来提高定位精度。 主要有以下几种解决方案： 1、通过大量历史数据分析，直接优化RTK算法； 2、利用组合导航的优势，结合惯性传感器提高定位性能； 3.使用其他短距离高度定位方法，例如蓝牙定位。 还有NFC定位等。

4 结果应用及意义

高精度定位技术是一项非常精密、复杂的精密导航技术。 广泛应用于交通、测绘、无人机定位、自动驾驶、共享两轮车等领域。 它已成为现代社会不可缺少的一部分。