卫星导航原理-凯时网站-首页

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　　1 何为导航

　　导航的定义是“使载体或人员从一个地方到另一个地方的科学”。在日常生活中，我们每一个人都会进行某种形式的导航，开车上班或者步行去商店都需要我们使用基本的导航技能。对于我们大多数人来说，这些技能需要利用我们的眼睛、常识和地标。然而在一些情况下，需要更精确的知道我们的位置、预期的航线或者到达期望目的地所需的时间。此时，便要用不同于地标的导航装置。这些导航装置也许是一个简单的时钟，以确定经过已知距离的速度;或者是汽车的里程表，以随时知道行驶的距离。其他一些导航装置要发射电子信号，因而更复杂一些，这些导航装置称为无线电导航装置。

　　就上面导航的定义而言，我们可以看出，导航的过程大致可以分为三个过程：一是确定需要导航的载体或者人的位置;二是确定目的地的位置;三是确定从出发点到目的地的路线。举个简单的例子：一枚导弹要想成功击中目标，首先要精确的知道导弹自身的位置;其次，要知道需要打击的目标的位置;最后，根据自身的位置和打击目标的位置设计一条最优的飞行轨迹。就这个过程而言，我们公司现在所做的产品大部分集中在导航的第一阶段，也就是确定需要导航的载体或者人的位置。

　　2 何为卫星导航

　　导航装置各式各样，我们把它们分为陆基和星基两类。一般而言，陆基无线电导航装置的精度与其工作频率成正比。高精度的系统一般在相对短的波长上发射，用户必须保持在视线方向之内。而在较低的频率(波长较长)上广播信号的系统不受视线方向的限制，但精度较低。早期发展的星基系统有美国海军导航卫星系统(称为子午仪，即transit)和俄罗斯的tsikada系统，它们提供二维的高精度定位服务。然而，获得定位值的频度随纬度而变化。理论上在赤道上的子午仪用户平均每110分钟可获得一次定位，而在80度纬度上的定位速率将改善到平均每30分钟一次。这两种系统的限制是，每一次定位都需要大约10～15分钟用于接收机处理和用户位置估计。这样的特性只能满足船舶的导航，因为它的速度很低，但不适用与飞机和高动态用户。正是因为这些缺点，导致了美国全球定位系统(gps)的发展，以及其他卫星系统的出现，如俄罗斯的glonass，中国的bds，以及欧盟的galileo。所有这些，我们现在通称为gnss(global navigation satellite system)。

　　3 是如何工作的

　　gnss利用测距原理来确定用户的位置。这种原理需要测量导航信号从位置已知的发射源发出至到达用户接收机所经历的时间。将这个称为信号传播时间的时间差乘以信号的速度，便得到了从发射源到接收机的距离。接收机通过多个位置已知的发射源所广播的信号的传播时间，便能确定自己的位置。

　　3.1 何为星历

　　从上面卫星导航的基本过程我们可以看出，定位的过程中有两个要素：一是信号传播的时间，也就是我们平常经常提到的伪距的概念;其次是发射源的位置，也就是gnss卫星的位置。这两个要素的准确与否，直接关系最终定位结果的精度好坏。伪距的概念相对容易理解，gnss卫星的位置是如何实时获取的呢?解决的办法是将gnss卫星的运行轨迹通过地面的观测拟合成一个理想的椭圆轨道，gnss卫星将用于计算轨道的参数广播给用户，这样，用户就可以根据这些参数实时计算卫星在空间中的位置。这些用于计算轨道的参数专业的名称是轨道根数，这些参数所组成的电文，我们称之为星历。为了保证卫星位置计算的精度，星历的内容会定时更新，gps星历的更新周期为2小时，glonass为15分钟，bds为1小时。

　　3.2 何为历书

　　由此，又引出另外一个话题，我们常说的历书又是什么?和星历有什么不同?历书和星历的内容相似，包含的也是用于计算轨道的参数，只不过这些参数所计算出的轨道精度较低，但有效时间更长，gps的历书的有效时间为1周。所以历书不能用于实时的定位，而是在接收机启动的时候，用存储在接收机内部的历书来推算视界内的卫星，以帮助接收机尽快的完成启动。历书在早期的接收机中有其特殊的用途，但是这些功能在现在变得越来越形同鸡肋，因为接收机的通道数极大的得到增加，几十甚至几百个通道的接收机变得非常容易实现，所以我们可以指定每个通道搜索一颗卫星的信号，完全不用关心这颗卫星是否在视界内。

　　3.3 何为观测量

　　我们通常在卫星导航中提到的观测量主要包含三个：伪距、多普勒和载波相位。

　　伪距，顾名思义，不是真实的距离，它其中包含了很多其他误差分量，比如：电离层延迟、对流层延迟、接收机钟差、卫星钟差、多路径延迟等等。它是一个绝对观测量，主要用来是实现绝对定位。

　　多普勒，这个名词在初中物理课本中以及《十万个为什么》中的出镜率相当高。多普勒主要表征接收机与卫星之间的相对运动，所以，利用多普勒可以计算接收机的速度。

　　载波相位，它是多普勒的积分结果，精度很高，但遗憾的是一个相对观测量，主要用来作一些高大上的计算，比如rtk，ppp等等。载波相位在测量领域的成功应用，开发了卫星导航一个新的领域，这是gps系统在设计之初所未曾设想到的。故事有点长，有时间慢慢讲，这里不再赘述。

　　这些观测量在不同的定位模式中有时会相互组合，甚至同时使用，来实现不同的目的。这些具体的使用方法以及相对应的定位模式后续再花篇幅详细描述。

　　4 参考文献

　　[1] elliott d. kaplan and christopher j. hegarty, “understanding gps principles and applications”, second edition, july 2007.

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