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1. GNSS定位原理 1.1 三边测量Trilateration原理 根据上一章节已经了解到采用三遍策略的方法进行计算可以计算出各个的坐标值。下图采用更加形象的立体图进行展示 通过Satlite1,  Satlite2, Satlite3, 正常来说可以确定交叉点的位置。这里需要声明关于天上的卫星坐标是已知的虽然说随着时间变化会有变化但是都会有已知的数据通过导航电报文发送。 对于测量定位就回到了测量卫星到接收机的距离忽略一些其他因素影响目前只要知道了4颗卫星到接收机的距离就可以确定位置。 1.2 定位模式分类 根据定位模式可以分三类 单点定位(绝对定位) 以地球为质心为参考点测定接收机天线在协议地球坐标系中的绝对位置精度低。 静态相对定位 静态相对定位是在已知基准站位置的情况下通过长时间观测两个接收机之间的相对距离差异来提高定位精度。该方法通过消除共同误差特别是对流层延迟和电离层延迟的影响实现高精度的坐标计算。由于采用静态观测定位结果的精度极高常用于大地测量、变形监测等高精度场景定位精度可达到毫米级。 差分定位(DGPS) 差分定位是一种基于修正信号的定位方法通过使用一个或多个已知坐标的参考站基准站对卫星信号进行误差校正来提高流动站用户端的定位精度。差分定位系统可以实时传输修正数据消除部分卫星钟差、轨道误差及大气误差从而大幅提升定位精度。典型的差分定位系统包括地基增强系统GBAS和卫星增强系统SBAS其精度通常可达亚米级甚至更高广泛应用于航空、航海及车辆导航等领域。
   
2. 卫星定位精度影响分析 卫星定位精度影响从整个定位原理所涉及的源路径接受这些部分进行一个分析。 卫星端 星历误差由星历给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差这是一种属于系统中的误差。 卫星钟差指的是卫星的时钟误差与卫星标准时钟的误差虽然GNSS 卫星采用了高精度的原子钟保证时钟的进度但随着时间长期运行下去还存在频率偏差和老化的问题所以这也会出现一个误差。 相对论效应卫星钟和接收机钟所处的运动状态(运动速度和重力位)不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。 卫星天线相位中心偏差卫星天线和接收机天线的天线相位中心既不是一个物理点也不是一个稳定的点对任一天线天线相位中心都会随着来自卫星信号方向的变化而变化。天线相位中心的误差由两部分组成一部分是相对于天线物理参考点的平均相位中心偏差PCO另一部分是与高度角和方位角有关的瞬时相位中心变化PCV。
   传输路径 电离层影响电离层中含有气体分子由太阳灯天体各种射线辐射产生电离形成大量的自由电子和正离子。GNSS 信号经过电离层时候信号路径可能发生弯曲传播速度也会发生变化。 应对措施双频观测方法 对流层对流层是靠近地面这一层大气层密度最高含有几乎所有水汽以及其他。对流层的折射影响在天定方向可以产生2~3M。 多路劲效应GPS计算中一个可能的误差源是多径效应。当 GPS 卫星信号从附近的建筑物和山脉等结构反弹时就会发生多路径。这些反射信号会产生干扰并在计算接收器位置时引入错误从而导致 GPS 测量不准确。    GPS多径效应 接收机端 接收机钟差接收机的时钟一般没有卫星端的时钟源好一般采用石英晶体振荡器由于这种远没有原子钟好将会带来一定的误差。 天线相位中心位置偏差和卫星端类似 接收机本身装置 相对论效应和卫星端类似
   表格总结
3. 如何提高定位精度 尽管所有潜在的错误类型都会降低 GNSS 定位的准确性但还是有一些方法可以提高准确性。根据影响的因子现实中很多都无法避免只能去减弱它的影响或者修正。这里以GPS 为例介绍两种校正方法 DGPS(差分全球定位系统)
   DGPS 来说比GPS 这种更加准确它添加了能够纠正GPS信号中的错误其实就是在已经精确测定坐标的参照物上设置GPS接收机并和移动台上的GPS接收机同步观测不少于四颗的同一组卫星求得差分数据进行校正。 固定式 GPS 接收器检测到与您的 GPS 接收器相同的卫星信号它就可以根据其精确测量的位置向您的接收机发送校正数据。 SBAS星基增强系统
   是一种区域或全球导航卫星系统可提高来自现有全球导航卫星系统的信号的准确性、完整性和可用性。 增强系统将校正后的错误与GPS信号一起实时广播。事实上这是基于卫星的增强系统SBAS的主要思想可以提供亚米级的GPS精度。 对于SBAS 各个定位系统存在不一样目前北斗BDSBAS是对北斗系统的扩展为我国以及周边地区提供更加精准的定位。WAAS 是美国开发为GPS 校正定位提供很大帮助。
4. 距离测量 确定接收机与卫星之间的距离这里简单介绍两种方法伪距测量和卫星载波相位测量。这是两种主要的距离测量方法通过原理测量到距离从而进行定位。它们在原理、精度和应用上有显著不同。在实际过程中这两种往往会结合一起使用。 4.1 伪距测量 原理伪距测量基于卫星发送的伪随机码PRN码。当卫星发送信号时它会发送一个时间标记接收机接收到这个信号后会比较接收到的伪随机码与它自己生成的伪随机码计算出信号传播所需的时间。通过乘以光速得出接收机到卫星的距离这个距离称为“伪距“。 4.2 卫星载波相位测量 原理卫星载波相位测量是通过测量GNSS信号的载波相位来确定接收机与卫星之间的距离。载波的波长非常短因此通过测量载波相位的变化可以获得极高的精度。 通俗来讲通过载波进行传输信号载波的波长短远远小于卫星到接收机的距离知道中间产生了整数个N周期的差别这个也叫做周整模糊度再计算卫星到接收机的距离。另外还需要考虑精度影响那么可以更加精确计算出距离。对于精度相关的测量对于不同的模型计算方式。 总结 卫星定位原理并不复杂但是在对于测量的影响度却是非常多如何去克服这些影响因子是对整个系统的一个挑战本章节主要对理论知识一个概述理解对于深度还需要更多时间去思考查询相关数据对于这些专业知识笔者还需继续学习。目前我国北斗导航卫星精度与GPS精度相当有些数据好于GPS到达了亚米级别北斗地基增强系统的实时定位精度可达厘米级别对于高精度定位将会是趋势。 作为大部分嵌入式开发者来说对于这些原理和相关测量大概需要了解当开发者拿到一个定位模块该如何去使用如何放到自己设备上运行测试呢这将是下一个章节进行分享的内容关注码思途远下一期动手操作。 参考 https://www.keysight.com.cn/cn/zh/solutions/gnss-receiver-sensitivity-testing.html http://kjdzjs.ijournals.cn/kjdzjs/article/pdf/201804008?starticle_issue https://malagis.com/principle-and-application-gps-course-summary.html https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/SBAS_Systems 往期推荐 GNSS篇(一) - 定位基础知识 USB PD 协议介绍与交互过程 Type-C 的工作原理 认识Type-C 与快充相关知识