衛(wèi)星導(dǎo)航的定位原理及未來趨勢(shì)

衛(wèi)星導(dǎo)航或衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是使用衛(wèi)星提供自主地理定位的系統(tǒng)。覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)稱為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）。

截至2023年，有四個(gè)全球系統(tǒng)投入運(yùn)行：美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、?中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐盟的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Galileo）。投入使用的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS），這是一種基于 GPS衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng)，旨在提高 GPS 的精度，計(jì)劃于 2023 年實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于 GPS 的衛(wèi)星導(dǎo)航，以及印度的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（NavIC）。上述導(dǎo)航系統(tǒng)都向國際社會(huì)提供了免費(fèi)使用的服務(wù)。

GNSS系統(tǒng)比較

GNSS的落地信號(hào)功率在-125 dBm左右，不同國家的衛(wèi)星可能有所不同。

定位原理

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的定位原理是基于三角測(cè)量和衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)脑?。以GPS系統(tǒng)為例，基本的GPS服務(wù)為用戶提供大約7.0米的精度（95%的時(shí)間，地球表面），接收器通過來自至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)組合來確定它們的位置和時(shí)間。GPS衛(wèi)星攜帶原子鐘，可以提供極其精確的時(shí)間，時(shí)間信息被放置在衛(wèi)星廣播的代碼中，使得接收器可以連續(xù)地確定信號(hào)被廣播的時(shí)間。

該信號(hào)還包含接收器用來計(jì)算衛(wèi)星位置和進(jìn)行精確定位所需的其他調(diào)整的數(shù)據(jù)。接收器使用信號(hào)接收時(shí)間和廣播時(shí)間之間的時(shí)間差來計(jì)算從接收器到衛(wèi)星的距離。有了關(guān)于三顆衛(wèi)星的距離和發(fā)送信號(hào)時(shí)衛(wèi)星的位置信息，接收器可以計(jì)算自己的三維位置。為了根據(jù)這三個(gè)信號(hào)來計(jì)算距離，還需要與GPS同步的原子鐘，但可以通過對(duì)第四顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量來獲得接收機(jī)的時(shí)間信息。因此，接收器使用四顆衛(wèi)星來計(jì)算緯度、經(jīng)度、高度和時(shí)間。

如圖所示，衛(wèi)星和用戶之間的距離ΔL（這個(gè)距離也被稱為“偽距”） ，衛(wèi)星的坐標(biāo)（x’,y’,z’）是已知的，用戶的坐標(biāo)（x,y,z）是未知的。假設(shè)信號(hào)的傳輸速度基本上幾乎等同于光速c，衛(wèi)星上的時(shí)間為t。用戶終端的時(shí)間為t’，那么，衛(wèi)星和用戶之間的距離ΔL可以通過下面這個(gè)公式算出：

衛(wèi)星信號(hào)從發(fā)射到被接收，需要經(jīng)過大氣層。當(dāng)其通過電離層時(shí)，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，使其信號(hào)的傳播路徑發(fā)生變化。在對(duì)流層，信號(hào)的折射與大氣壓力、溫度和濕度變化密切相關(guān)。在地表附近，由于各種建筑物、水面、山體的影響，衛(wèi)星信號(hào)可能被反射或折射（多徑效應(yīng)），信號(hào)疊加將會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)位置的變化，從而對(duì)觀測(cè)量產(chǎn)生誤差。

此外，還可能存在系統(tǒng)相關(guān)的誤差，包括星歷誤差、時(shí)鐘誤差、相對(duì)論效應(yīng)等。為了提高定位的精度，接收器還需要考慮和校正上述誤差，主要有以下幾種方案。 RTK定位

RTK（Real - time kinematic）稱為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分法，計(jì)算的是兩個(gè)測(cè)站的載波相位觀測(cè)值。基準(zhǔn)站首先將自己獲得的載波相位觀測(cè)值及站點(diǎn)坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)通信鏈路實(shí)時(shí)發(fā)送給周圍的接收機(jī)（移動(dòng)站）。接收機(jī)使用動(dòng)態(tài)差分定位的方法確定其相對(duì)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)，然后根據(jù)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)反算自己的瞬時(shí)坐標(biāo)，精度可以達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。

PPP定位

精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning）可以計(jì)算出非常精確的位置，在良好條件下誤差小至幾厘米。PPP 是幾種相對(duì)復(fù)雜的 GNSS 位置細(xì)化技術(shù)的組合，利用地面監(jiān)測(cè)站對(duì)衛(wèi)星軌道、鐘差、載波偽距偏差等進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，并將修正數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星鏈路播發(fā)給接收機(jī)，最終求解出衛(wèi)星和接收機(jī)之間的準(zhǔn)確距離。PPP的主要缺點(diǎn)是它需要更多的處理能力，需要外部星歷校正流，并且需要一些時(shí)間（最多數(shù)十分鐘）才能收斂到完全精度。

雙頻GNSS

GPS信號(hào)工作頻率分為了L1、L2、L5等幾個(gè)頻段，利用雙頻對(duì)電離層延度遲的不一樣，可以最大限度地減少電離層對(duì)電磁波信號(hào)的延遲的影響，從而有效改善定位精度(預(yù)計(jì)可達(dá)3-5米)。目前部分高端手機(jī)已采用雙頻定位。

未來發(fā)展趨勢(shì)

在全球通信生態(tài)系統(tǒng)中，衛(wèi)星通信被認(rèn)為是 5G-A和 6G 的重要組成部分。其中低軌衛(wèi)星（LEO）星座具有衛(wèi)星數(shù)量多、覆蓋性能好等特點(diǎn)，有望為各個(gè)行業(yè)開辟新的可能性，并逐步受到世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)注和青睞。

基于低軌衛(wèi)星進(jìn)行定位有如下好處：

衛(wèi)星到用戶的距離較短，路徑損耗較低，具有較好的接收信號(hào)增益；

衛(wèi)星仰角變化快，有利于精確單點(diǎn)定位 (PPP) 收斂時(shí)間；

可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，例如用于提高定位精度的輔助信息；

可以通過更低的建造、發(fā)射和運(yùn)營成本來平衡衛(wèi)星成本；

能夠更快地部署新衛(wèi)星或更新系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷變化的需求和技術(shù)。

目前，3GPP在5G Rel-17版本中將非地面網(wǎng)絡(luò)NTN納入了規(guī)范，以支持用戶設(shè)備通過高低軌衛(wèi)星或高空平臺(tái)實(shí)現(xiàn)NR通信。3GPP在Rel-17和Rel-18中的NR NTN和IoT NTN規(guī)范要求支持NTN網(wǎng)絡(luò)的地面設(shè)備須具備GNSS能力，以預(yù)補(bǔ)償時(shí)間和頻率偏移。在大多數(shù)時(shí)間，GNSS可以提供了高度準(zhǔn)確的位置和時(shí)間參考，然而GNSS系統(tǒng)可能存在被干擾（導(dǎo)致拒絕服務(wù)）和欺騙的情況。此外，如果使用改變的GNSS位置，則試圖通過接入信道連接到網(wǎng)絡(luò)的終端或一組終端也可能導(dǎo)致小區(qū)中所有其他用戶的服務(wù)被拒絕的情況發(fā)生。

基于上述原因，在即將開始的Rel-19 NTN evolution立項(xiàng)中有可能進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)衛(wèi)星定位的支持，包括增強(qiáng)RACH和時(shí)間/頻率同步，以確保用戶設(shè)備在無GNSS可用性或精度降低的情況下的服務(wù)可用性。 可以預(yù)見的是，未來的6G將是基于LEO的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，除了在全球范圍內(nèi)提供廣域?qū)拵ㄐ欧?wù)外，還將支持高精定位導(dǎo)航等功能，并通過與地面通信系統(tǒng)的一體化實(shí)現(xiàn)基于通信和位置的萬物互聯(lián)。 ? ?

審核編輯：黃飛

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