據(jù)央視新聞消息，近日我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，成功發(fā)射北斗系統(tǒng)第54顆導(dǎo)航衛(wèi)星。衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道，后續(xù)將進(jìn)行變軌、在軌測(cè)試、試驗(yàn)評(píng)估，適時(shí)入網(wǎng)提供服務(wù)。今年6月份，將按計(jì)劃發(fā)射最后一顆地球靜止軌道衛(wèi)星。屆時(shí)，北斗三號(hào)全球星座部署將全面完成。這意味著距北斗全球組網(wǎng) “大棋局”的部署完成僅“一步之遙”。北斗人在自主創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作的努力下創(chuàng)造了“中國(guó)速度”。

目前，我們已很難想象沒(méi)有衛(wèi)星定位的生活，無(wú)論是早上開(kāi)車出門的定位導(dǎo)航，還是開(kāi)車途中實(shí)時(shí)接收到的路況信息，甚至是危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)快速鎖定救援位置……都需要衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)的幫我們確定位置，測(cè)定行進(jìn)速度，鎖定經(jīng)緯度海拔等。那么，千里之外的衛(wèi)星是怎么做到定位如此精準(zhǔn)？正好上次講過(guò)網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)后，后臺(tái)也有很多小伙伴留言，想了解一下衛(wèi)星定位的原理……

1.GNSS是什么

GNSS即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system），它包括全球性的美國(guó)的GPS、中國(guó)的北斗、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的Galileo。此外還有區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)，如日本的準(zhǔn)天頂（QZSS），印度的IRNSS。增強(qiáng)系統(tǒng)有美國(guó)的WAAS，日本的MSAS、歐盟的EGNOS、印度的GAGAN以及尼日尼亞的NIG-GOMSAT-1等。

通常衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成包括三個(gè)部分：空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。

空間星座部分指的就是那些衛(wèi)星，四大導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星占據(jù)著不同的軌道，衛(wèi)星的數(shù)量、組成、通信等原理也不盡相同。

地面監(jiān)控中心接收、測(cè)量將衛(wèi)星信號(hào)，確定衛(wèi)星的軌道信息并將其發(fā)射給衛(wèi)星，并對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

用戶設(shè)備即接收機(jī)，可以是專業(yè)的多頻多系統(tǒng)接收機(jī)，也可以是我們手機(jī)中的衛(wèi)星信號(hào)接收模塊，通過(guò)信號(hào)解算出的衛(wèi)星軌道信息等來(lái)確定用戶的位置。

2.認(rèn)識(shí)四大衛(wèi)星系統(tǒng)

我們這里主要探討四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)，即美國(guó)的GPS、中國(guó)的北斗、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的Galileo：

GPS（Global Position System）

GPS是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位功能的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS的空間星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。

在這里多說(shuō)一句，其實(shí)在中國(guó)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)誕生以前，GPS幾乎可以說(shuō)是衛(wèi)星定位系統(tǒng)的代名詞，而GPS真正的“聲名鵲起”則是上世紀(jì)90年代的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，因?yàn)樵诤硲?zhàn)爭(zhēng)中多國(guó)部隊(duì)對(duì)伊拉克各個(gè)地區(qū)進(jìn)行了高密度的空襲，而恰恰是GPS為多國(guó)的攻擊部隊(duì)提供了極為[敏感詞]的導(dǎo)航，尤其是為美軍“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的[敏感詞]打擊立下了汗馬功勞，讓這一型導(dǎo)彈名聲大噪；GPS也提高了美軍如F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)、F-16戰(zhàn)斗機(jī)的攻擊精度，為美軍地面行動(dòng)清除了不少障礙。

GLONASS

GLONASS（格洛納斯系統(tǒng)）最早研發(fā)于上世紀(jì)70年代的蘇聯(lián)時(shí)期，在美蘇爭(zhēng)霸時(shí)期的格洛納斯其實(shí)是跟美國(guó)的GPS有著相同的訴求，但由于各種因素，還是與GPS有著一定的差距（如儀器精度，電子原件水平），使得GLONASS系統(tǒng)的效果并不是很理想。自1982年至1987年，共發(fā)射了27顆GLONASS試驗(yàn)衛(wèi)星，同時(shí)由于當(dāng)時(shí)衛(wèi)星的壽命都比較短，需要不斷地補(bǔ)發(fā)衛(wèi)星才能維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而蘇聯(lián)的解體使得GLONASS長(zhǎng)期處于降效運(yùn)行。直到1993年，俄羅斯政府也意識(shí)到了其重要性，投入大量的人力和資金使得GLONASS得以重新發(fā)展，于1996年初投入運(yùn)行使用。空間星座由均勻分布在3個(gè)MEO軌道面的24顆衛(wèi)星組成，軌道高度為19100km，在高緯度地區(qū)的覆蓋度比GPS要好。于2007年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。當(dāng)時(shí)只開(kāi)放俄羅斯境內(nèi)衛(wèi)星定位及導(dǎo)航服務(wù)，到2009年，其服務(wù)范圍已經(jīng)拓展到全球，該系統(tǒng)主要服務(wù)內(nèi)容包括確定陸地、海上及空中目標(biāo)的坐標(biāo)及運(yùn)動(dòng)速度信息等。

GALILEO

而GALILEO（伽利略）則是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由軌道高度為23616km的30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛(wèi)星軌道高度約2.4萬(wàn)公里，位于3個(gè)傾角為56度的軌道平面內(nèi)。

伽利略系統(tǒng)也是歐洲不甘于完全依賴美國(guó)的產(chǎn)物，但可能由于參與者太多，該計(jì)劃依然進(jìn)展緩慢。在這里還有一段故事與我們國(guó)家有關(guān)，早在2002年，歐洲多國(guó)決定聯(lián)合自主推出伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)的中國(guó)在導(dǎo)航領(lǐng)域還處于一并空白，也共同參與研發(fā)伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，然而在幾年之后，在中國(guó)已經(jīng)投入20億元經(jīng)費(fèi)的情況下，卻被從伽利略項(xiàng)目中踢了出來(lái)，除了與美國(guó)的阻擾有關(guān)，其實(shí)，歐洲某些國(guó)家也不希望中國(guó)借此機(jī)會(huì)獲取導(dǎo)航領(lǐng)域核心技術(shù)。不過(guò)我國(guó)現(xiàn)在擁有了自己的“北斗”之后，反倒是伽利略系統(tǒng)出現(xiàn)了問(wèn)題，就在去年7月，伽利略系統(tǒng)出現(xiàn)了全球癱瘓，據(jù)悉是因?yàn)闅W洲航天局缺乏組織能力，相關(guān)科研人員不肯加班，才導(dǎo)致如此嚴(yán)重的后果，想起來(lái)真是有些荒誕了。

北斗

北斗是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r(shí)能力，定位精度10米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。北斗三號(hào)空間段計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。35顆衛(wèi)星在離地面2萬(wàn)多千米的高空上，以固定的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。

綜上所述，在定位精度上，全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均有實(shí)現(xiàn)民用10米精度的能力。他們各有優(yōu)勢(shì)，美國(guó)的GPS和俄羅斯的GLONASS應(yīng)用范圍和領(lǐng)域非常廣，也是目前商用普及率[敏感詞]的兩大定位系統(tǒng)，這與它們的提前布局、重視程度、巨額投入等密不可分。中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)僅差一顆衛(wèi)星就完成全部組網(wǎng)，在普及的道路上，未來(lái)仍有很大的上升空間。

圖為：谷歌地圖上看到的所有衛(wèi)星分布

衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要由三部分組成：空間部分、控制部分、用戶設(shè)備部分。

空間部分，包括工作衛(wèi)星和備用衛(wèi)星。這些衛(wèi)星在空中連續(xù)發(fā)送帶有時(shí)間和位置信息的無(wú)線電信號(hào)，供衛(wèi)星接收機(jī)接收。

控制部分，包括主控站、注入站和監(jiān)控站。監(jiān)測(cè)站連續(xù)接收衛(wèi)星信號(hào)，不斷積累數(shù)據(jù)；主控站根據(jù)監(jiān)控站發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制，編寫(xiě)導(dǎo)航電文；注入站衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航電文，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制管理。

用戶部分，即衛(wèi)星接收機(jī)。包括兼容衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等

一次完整的定位工作，需要這三部分共同協(xié)作完成。[敏感詞]我們?cè)僬f(shuō)說(shuō)具體如何實(shí)現(xiàn)：

定位，其實(shí)就是利用至少4顆衛(wèi)星去解決位置，時(shí)間，速度這三個(gè)參數(shù)，其中最常用的是位置。 其實(shí)這個(gè)原理可以復(fù)雜也可以簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是用三邊測(cè)量（trilateration）：在二維平面，一個(gè)固定點(diǎn)用已知的半徑長(zhǎng)確定一個(gè)圓，兩個(gè)固定點(diǎn)用已知的半徑確定兩個(gè)點(diǎn)，用戶就在其中一個(gè)點(diǎn)上。

這個(gè)原理映射到三維，兩個(gè)球相交確定一個(gè)圓，三個(gè)球相交確定兩個(gè)點(diǎn)。用戶必然處在兩個(gè)點(diǎn)其中一個(gè)上，遠(yuǎn)離地球的點(diǎn)舍棄，另一個(gè)點(diǎn)就是你的位置了。

但是實(shí)際上真正應(yīng)用比這個(gè)復(fù)雜，首先就要想，原理上三顆衛(wèi)星可以解決的問(wèn)題為什么一定要4顆。這是因?yàn)閷?shí)際上參與導(dǎo)航位置計(jì)算的過(guò)程中，還有個(gè)時(shí)間變量參數(shù)，因?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航的距離測(cè)量實(shí)際上是以時(shí)間度量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)每秒鐘時(shí)間誤差為百萬(wàn)分之一時(shí)，所帶來(lái)的位置誤差會(huì)達(dá)到300m以上，而人們所用的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)鐘是用石英晶體振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，必須用衛(wèi)星的原子時(shí)鐘作為同步標(biāo)準(zhǔn)才能確保定位精度，故需要第四顆星來(lái)參與定位，實(shí)際上這第四顆衛(wèi)星是作為時(shí)間參考標(biāo)準(zhǔn)加以應(yīng)用。

4厘米級(jí)高精度定位如何實(shí)現(xiàn)

前面我們提到，只要接受到來(lái)自4顆衛(wèi)星的位置信息，就能精準(zhǔn)確定地面上任何物體的坐標(biāo)了。實(shí)際上這只是定位原理中的其中一種，通常稱為單點(diǎn)定位，或[敏感詞]定位。

但實(shí)際上，衛(wèi)星工作過(guò)程中會(huì)受到多因素的干擾，比如衛(wèi)星信號(hào)穿過(guò)地球?qū)α鲗印㈦婋x層時(shí)會(huì)發(fā)生折射和延遲，射到建筑上時(shí)又會(huì)發(fā)生反射，這一系列的影響都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳播時(shí)間計(jì)算有誤，繼而帶來(lái)距離計(jì)算產(chǎn)生幾十米甚至超百米的誤差。

這時(shí)候，我們就需要用到精度更高的差分定位，也就是相對(duì)定位。建設(shè)地基增強(qiáng)站正是消除衛(wèi)星定位誤差，將定位精度提高至米級(jí)甚至厘米級(jí)的有效手段。首先，我們需要在地面建立[敏感詞]坐標(biāo)（X、Y、Z）已知的地基增強(qiáng)站，然后由導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)基站進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位，得到基站實(shí)時(shí)的位置坐標(biāo)，因受前面提到的對(duì)流層、電離層、多路徑效應(yīng)等多因素干擾，兩者之間必然存在綜合定位誤差，通過(guò)計(jì)算兩者之間的差值，就能把定位誤差值鎖定。

一般以基站為中心的20至40公里半徑范圍內(nèi)，對(duì)流層、電離層運(yùn)動(dòng)等對(duì)衛(wèi)星定位影響基本一致，所以只要基站把我們計(jì)算出來(lái)的綜合定位誤差實(shí)時(shí)播發(fā)給該范圍內(nèi)終端，它們就可以在衛(wèi)星定位時(shí)，把定位誤差一并計(jì)算進(jìn)去，從而實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)甚至厘米級(jí)的高精度定位。我們之前介紹過(guò)的網(wǎng)絡(luò)RTK，就是目前業(yè)內(nèi)用于計(jì)算這個(gè)誤差的主流方法之一。