GNSS 定位技術初探

1 月 11 日晚上 7 點，極飛公開課新年第一課正式開講。擁有 11 年航測經驗的極飛地理航測經理吳奔為超過 500 名學員講解了GPS技術的發展歷程、原理以及實際應用，學員們對課程表現出了高度的熱情，互動火熱。

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現將課堂精華整理如下：

衛星定位技術的歷史

GNSS是 Global Navigation Satellite System 的簡寫，翻譯成中文是全球導航衛星系統，GNSS系統不是一個單獨的系統，而是由四大系統組成的，分別是北斗（中國）、GPS（美國）、GLONASS（格洛納斯系統，俄羅斯）、Galileo（伽利略系統，歐盟）。

我們用得最多最熟悉的是GPS系統，在GPS系統之前，也有兩個衛星導航定位系統分別是，美國1958年研製的子午衛星導航系統和前蘇聯1965年研製的 CICADA，這些是第一代導航衛星系統。

既然說到導航衛星系統，那我們就要知道什麼是衛星，它分為人造衛星和天然衛星，是環繞行星運轉的天體。地球就有一顆天然的衛星就是月球，GNSS則是人造衛星系統世界上第一顆衛星是前蘇聯在1957年10月4日成功發射的，從此之後人們就開始利用衛星進行定位和導航的研究，世界各國爭相利用人造地球衛星為軍事、經濟和科學文化服務。

我們國家的第一顆衛星東方紅一號在 1970 年 4 月 24 日從甘肅酒泉衛星發射中心發射成功，使中國成為繼蘇聯、美國、法國和日本之後，世界上第五個完全依靠自己力量成功發射衛星的國家。

說到早期的衛星，我們需要先了解一下早期的衛星定位技術，早期衛星定位技術易受衛星可見條件和天氣條件影響，費時費力，定位精度低。

1958年，美國為解決北極星核潛艇在深海航行和執行軍事任務而需要精確定位的問題，開始研製軍用導航衛星系統，命名為「子午儀計劃」。1960 年 4 月，美國發射了世界第一顆子午導航衛星，傳統的無線電導航系統從此被這種新的導航方式取代。

1964 年建成子午導航衛星系統，主要由美國海軍使用，到1967 年開始正式向民用開放。子午衛星導航系統簡稱 NNSS，它的優點是經濟快速、精度均勻、不受天氣和時間限制，且能獲得測站的三維地心坐標，缺點是衛星數少，所以不能實現實時定位，同時衛星軌道偏低因此定位時間長、定位精度也較低。

在美國子午衛星系統建立的同時, 前蘇聯也於 1965 年開始建立了一個衛星導航定位系統，稱為CICADA，它與NNSS系統相似，也是第一代衛星定位導航系統。

GPS系統的成熟與發展

1973年12月，美國國防部在總結了NNSS系統的優劣之後，批准美國海陸空三軍聯合研製新一代衛星導航系統——GPS，即為目前的「授時與測距導航系統也就是全球定位系統」，這個系統是目前最成熟，使用最為廣泛的一個導航定位系統。

GPS 空間星座部分是由 24 顆 GPS 衛星所組成，分為 21 顆工作衛星和 3 顆在軌備用衛星，分為 6 個軌道面共同組成了 GPS 衛星星座。GPS衛星空間星座的分布保障了在地球上任何地點、任何時刻至少有4顆衛星被同時觀測，加之衛星信號的傳播和接收不受天氣的影響，因此，GPS是一種全球性、全天候的連續實時定位系統。

GPS衛星主要有以下：特點：1.高軌，軌道受攝動較小；2.能見地面面積大，覆蓋地面38%；3.GPS信號的波束覆蓋地面比較均勻。

GPS衛星的作用有：1.接收地面主控站通過注入站發送到衛星的調度命令（鍾，軌道，衛星）2.飛越注入站上空時，接收地面注入站用S波段發送到衛星的導航系統信息，和其他有關信息，並通過GPS信號形成導航電文；3.向廣大用戶連續不斷發送導航定位信號，並用導航電文中的星曆和曆書分別報導自己的現勢位置，以及其他在軌衛星的位置。這些就是GPS衛星的空間部分。

在地面監控部分，地面監控部分由三部分組成：主控站、監測站和注入站，主控站只有一個，主要起到3個作用，1.收集各監測站的數據，編製導航電文，送往注入站，將衛星星曆注入衛星；2.監控衛星的狀態，向衛星發送控制指令；3.維護衛星與異常情況的處理。

上面三部分組成了地面監控系統，主要負責監控全球定位系統的工作，檢測衛星是否正常工作，是否沿預期的軌道運行；跟蹤計算衛星的軌道參數並發送給衛星，由衛星通過導航電文發送給用戶；保持各顆衛星的時間同步；必要時對衛星進行調度。

用戶部分，GPS用戶就是我們，不管是用極飛 Xrtk，P20、C2000還是我們的手機和車載 GPS 導航都算是用戶部分。GPS 的用戶部分由 GPS 接收機、數據處理軟體及相應的用戶設備組成。GPS 接收機的作用是接受 GPS 衛星所發出的信號，利用這些信號進行導航定位等工作。

GPS 測量特點

GPS測量的特點，總結了一下有6個特點：定位精度高、觀測時間短、可提供三維坐標、操作簡便、全天候工作、功能多，用途廣。

定位精度：應用實踐已經證明，GPS相對定位精度在50KM以內可達10-6m，100-500KM可達10-7m，1000KM可達10-9m。在300-1500M工程精密定位中，1小時以上觀測的解其平面位置誤差小於1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。

觀測時間短：隨著GPS系統的不斷完善，軟體的不斷更新，目前，20KM以內相對靜態定位，僅需15-20分鐘；快速靜態相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15KM以內時，流動站觀測時間只需1-2分鐘，然後可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘。

三維坐標：經典大地測量將平面與高程採用不同方法分別施測。GPS 可同時精確測定測站點的三維坐標。目前GPS水準可滿足四等水準測量的精度。

操作簡單：隨著GPS接收機不斷改進自動化程度越來越高有的已達「傻瓜化」的程度；接收機的體積越來越小重量越來越輕極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強度。使野外工作變得輕鬆愉快。

全天候工作：目前GPS觀測可在一天24小時內的任何時間進行，不受陰天黑夜、起霧颳風、下雨下雪等氣候的影響。

功能多用途廣：GPS系統不僅可用於測量、導航，還可用於測速、測時。測速的精度可達0.1M/S，測時的精度可達幾十毫微秒。GPS系統展現了極其廣闊的應用前景。

GPS的限制性

由於GPS定位精度高，除了美國本國使用，全世界也都在使用。美國政府擔心其他的國家或者組織打擊報復，威脅美國國家安全，所以採取了多種措施來限制其他終端GPS用戶的使用精度。

一般主要使用三種方式：第一種方式SPS和PPS，SPS是標準定位服務，使用C/A碼，是民用的，屬於粗碼，PPS是精密定位服務，可使用P碼，是軍用，屬於精碼。第二種是人為降低普通用戶的測量精度，降低星曆精度（加入隨機變化），增加衛星鐘加高頻抖動（短周期，快變化，時間變化讓測距出錯，站星間測距）。雖然這個技術在2000年的時候被取消了，但是隨時可以實施的。第三種是 AS 技術也叫反電子欺騙技術，是通過P碼加密。

因此，各個國家就針對那些限制採取了一些措施：1.建立獨立的GPS衛星測軌系統；2.改進GPS精密定位方法及軟體，削弱 SA 和 AS 技術的影響；3.建立獨立的衛星導航與定位系統；4.使用能同時接收多個定位系統信號的接收機。

問答環節

1.如果注入站出現問題，會不會導致 GPS 系統崩潰？

應該影響不大，除非衛星本身有問題或者有新的信息需要注入到衛星，才可能導致 GPS 系統無法使用。

2.GPS 從星座到地面設備的延遲有多大？

跟電離層、對流層的模型有關係，還要知道當時的光速。

3.能否把 RTK 理解為 GPS 的中轉站？

這種理解有些片面，其實在我們國家的地方 CORS 有永久地面固定站，這些固定資產才是中轉站。

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