翻译: 全球导航卫星系统 (GNSS) 的演进

Posted 2022-01-19 AI架构师易筋

1983年，美国海军的TRANSIT卫星系统将珠穆朗玛峰的高度从1856年的8840米修正为8850米

尽管 GNSS 在美国和前苏联作为军事系统开始，主要用于军舰导航，但很快就发现在民用领域有很多应用。

自从地球不是平的，至少从地理上来说，确定地球不是平的这一点就一直困扰着旅行者和探险家。主要问题是找到一个参考点和一个坐标系，可以用来在像地球这样的球状物体上定位自己。北极星提供了一个天体参考点并成为北；因此另一端变成了南方；正好在中间我们放置了一个称为赤道的人工制品。

当地中午的太阳高度，用六分仪测量，被转换为纬度，但经度提出了一个大问题，直到一位英国木匠变身钟表匠约翰哈里森开发了一种航海、准确的天文台来确定当地时间和格林威治之间的差异计算经度的时间。格林威治变成了零经度，这是另一个向西移动 100 米的人工制品。

1. 从球体到球体

六分仪和计时器不是每个人的玩具。因此，它们的使用仍然是海上和空中航行的问题。空中导航还需要 ADF、INS 和 VOR 等新工具。陆地导航更简单，但需要地图，而海空导航则需要航海图。很快就很清楚，基于称为球体的地球本地模型的地图和图表在一个人在地球上航行时从一个球体移动到另一个球体时会带来问题。它需要进行数学变换才能保持球体与球体之间的定位精度。随着卫星的出现，有机会使用大地测量和测距卫星的非常精确的测量来对整个地球进行建模，以创建一个可以参考所有测量值的全球椭球体。因此，

使用卫星进行导航始于美国海军导航卫星系统，NNSS 于 1964 年使用 TRANSIT 卫星系统。事实证明，该系统不仅对海军有用，而且对平民也有用。值得注意的是，1983 年，珠穆朗玛峰的高度被 TRANSIT 系统从 1856 年测量的原始高度 8,840m 修正为 8,850m。（今天中国人测量的高度为 8,848m）。从 1970 年开始，俄罗斯人拥有类似的系统，名为 Parus 供军用，Tsikada 供民用。今天，美国的 TRANSIT 系统已被 GPS 取代，俄罗斯的系统已被 GLONASS 取代。有几个用于定位和导航的全球和区域系统。其他正在开发的全球系统是欧洲的伽利略系统和中国的 COMPASS，现在称为北斗二号或 BDS。区域系统包括印度的 IRNSS，现在称为 NAVIC，

2. GNSS 接收器的工作

导航卫星的工作原理是三边测量。物体的位置由其在球体上的纬度、经度和平均海平面以上的高度确定。如果在测量时，已知三颗卫星的瞬时位置，并且已知测量点与这三颗卫星中每一颗的距离，则可以使用简单的距离公式确定该点的纬度、经度和高度。实际上，需要第四颗卫星来调整时间偏差。

GPS 接收器如何确定它与每颗卫星的距离？它通过将卫星生成的代码与接收器内部生成的相同代码进行比较来实现。两个代码之间的时间差乘以光速得出距离。这需要卫星上非常稳定的信号源，该信号源由用于生成代码的铷时钟和用于代码的载波信号提供。每颗卫星都有唯一的代码，因此接收器可以识别其视野中的每颗卫星。载体还包含定期更新的卫星的精确轨道参数。轨道参数使用完整性和距离监测站进行更新。中央控制站上传轨道参数并定期同步每颗 GNSS 卫星上的铷时钟。

来自 GNSS 卫星的信号以 L1 到 L5 的五个指定频率在 L 波段传输。其中 L1 和 L2 被所有 GNSS 卫星使用，L3 被分开用于从卫星传输到地面站以检测核爆炸。L4 将用于电离层校正，L5 最终将支持航空生命安全应用，并提供更高的可用性和准确性。

3. 全球系统

3.1 全球定位系统，GPS – 美国

这是最古老的系统，于 1978 年开始运行，并在中地球轨道上计划安装 32 颗卫星，MEO 为 20180 公里。轨道是这样选择的，在任何给定的时间，至少有六颗卫星在地球上任何地方的观察者视野中。最初专供军事用途，它在 80 年代中期向公众开放，具有选择性的可用性，将定位精度限制为 100m。军方继续享受 5m 或更高的精度。SA 从 2000 年起停产，在此期间，军方还开发了在区域基础上拒绝向潜在对手提供 GPS 服务的技术。人们普遍认为，这是在卡吉尔战争期间使用的。

3.2 GLONASS – 俄罗斯

从 1978 年的一项决定开始，GLONASS 于 1993 年在俄罗斯上空运行，在 19,130​​ 公里的 2 个轨道上有 12 颗卫星。到 2015 年，27 颗卫星中的 23 颗已投入运行，实现了其全部容量和全球覆盖。精度与 GPS 相当，但略低于 GPS。但是，在高纬度地区，精度比 GPS 好。L1 和 L2 的频率相同，但最初采用不同的访问模式，FDMA，然后转移到 CDMA。GLONASS 也适用于不同的球体模型，但它与 WGS84 的差异小于 40cm。结合使用 GLONASS 和 GPS，GNSS 接收器可以访问 50 颗卫星，因此可以更快地提供更好的定位，尤其是在城市峡谷和崎岖山区。

3.3 伽利略——欧盟

该项目由欧空局在德国、法国和意大利的领导下建立。其他加入该项目的欧洲国家是挪威和瑞士。以色列、摩洛哥和乌克兰也加入了该计划。中国本应加入但后来退出，因为它决定继续自己的北斗计划。该计划旨在发展民用空间的独立能力，而不是军事控制下的 GPS、北斗和 GLONASS。伽利略的精度将高于 GPS 和 GLONASS，公共使用一米，付费用户一厘米。在战争等极端情况下，有专门用于军事用途的规定。该计划受到资金问题以及与美国在安全问题上的摩擦的困扰。然而，这些问题已经克服，计划中的 30 颗卫星中有 12 颗在轨。

Galileo 是独一无二的，因为它旨在提供新的全球搜索和救援 (SAR) 功能，作为 MEOSAR 系统的一部分。除了将来自紧急信标的遇险信号转发到救援协调中心，它还将提供到信标的返回链接，以确认收到遇险信号并启动救援工作。这在当前的 Cospas Sarsat 系统中不存在。

3.4 BDS / 北斗二号 / COMPASS – 中国

中国系统最初是一个区域系统，即北斗一号，拥有三颗为中国及其周边地区服务的地球静止卫星。信号在 S 波段，精度为 20m。北斗一号于 2012 年底退役。

北斗二号是一个全新的系统，由 35 颗卫星组成，其中 5 颗计划在地球静止轨道上以提供北斗一号与现有地面系统的兼容性，25 颗计划在 MEO 中，5 颗计划在倾斜的地球同步轨道上。从发射记录来看，地球静止轨道上有6次，倾斜地球同步轨道上有8次，MEO上有5次。GEO 和 IGSO 中的额外卫星可能在轨道备件中。北斗二号频率与伽利略频率重叠，从而提供了两个系统之间的互操作性。目前，该系统被称为北斗导航系统，BDS，目前服务于中国及周边地区。预计到 2020 年，北斗将在全球范围内投入使用，为公众提供 10m 的精度，为军事用途提供更高的精度。

4 区域系统

4.1 NAVIC – 印度

IRNSS 系统在运行后命名为 NAVIC，是美国在与巴基斯坦的卡吉尔战争期间限制使用 GPS 系统的直接结果。NAVIC 系统由 7 颗卫星组成，其中 3 颗在地球静止轨道上，4 颗在倾斜地球同步轨道上。该系统于 2016 年投入使用。该系统在 L5 和 S 频段工作，在印度洋地区提供优于 20m 的精度，在印度提供 10m 精度供公众使用，为授权用户提供 10cm 精度，包括军队。

赶上我们的信息图表部分，快速、清晰地了解 IRNSS：

https://www.geospatialworld.net/infographic-irnss-navic-indias-gps/

4.2 QZSS – 日本

QZSS 或准天顶卫星系统具有独特的卫星轨道配置。它是一个高度倾斜的略椭圆地球同步轨道，覆盖日本和太平洋地区。截至目前，一颗MICHIBIKI卫星已经发射，另外三颗QZSS和一颗地球静止卫星正在筹备中。使用标准 GNSS L1、L2 和 L5 频率，QZSS 将补充 GPS，并将提供定位、增强定位和消息传递服务。预计从 2018 年开始服务。最终，到 2020 年计划再增加四颗 QZSS 卫星。预计精度将超过 700 万。精确服务将在 2m 左右，并将使用 L 波段上的 DGPS 信号。

4.3 星基增强系统——SBAS

基于这些 GNSS，在通用名称卫星增强系统 (SBAS) 下有几个区域增强导航系统。这些是广域增强系统，美国的 WAAS，欧洲地球静止导航覆盖服务，欧洲的 EGNOS 和 GPS 辅助 GEO 增强导航系统，印度的 GAGAN，都基于 GPS 系统。日本的 MTSAT 卫星增强导航系统 MSAS 和俄罗斯的基于 GLONASS 和 GPS 的差分校正和监测系统 SDCM 是其他的。中国正在规划SNAS，即卫星导航增强系统，为中国地区提供类似WAAS的服务。这些系统主要用于飞机导航，包括着陆和起飞阶段，但也用于其他陆基和海基导航应用。

SBAS是对GNSS定位服务的改进。GNSS 的问题是由于信号在到达智能手机等用户设备之前必须通过的大气造成的误差。这种称为对流层和电离层误差的误差会在信号中引入随机变化，这会降低测量设备与发射信号的卫星的距离的准确性。在 DGPS 等差分模式下使用 GNSS 可以减少这种误差。但是，这在像飞机这样快速移动的物体中是不可能的。在 SBAS 中，有几个地面站通过另一个通道（如地球同步卫星）连续测量误差并更新校正。

GNSS 设备的数量预计将达到 70 亿，到 2019 年几乎是每人 1 台。智能手机以 30.8 亿台领先市场，其次是道路导航设备，截至 2014 年为 2.6 亿台

5. 其他应用

尽管 GNSS 最初是美国和前苏联的军事系统，主要用于军舰导航，后来扩展到洲际弹道导弹，但很快就很清楚在民用领域可以有很多应用。1983 年发生灾难性的大韩航空 007 航班枪击事件后，美国才确信该系统需要供民用使用，而且在 2000 年选择性可用性被关闭。

尽管美国和俄罗斯仍在行使军事控制权，但伽利略、NAVIC、BDS 和 QZSS 等新系统主要是民用应用驱动的。GNSS 的应用范围从导航和定位到精确农业、测量、精确计时和大气和地壳科学研究，包括地震预测。

5.1 商业前景

欧洲 GNSS 机构的 GNSS 市场报告第 4 期很好地描绘了 GNSS 市场。该研究既包括个人导航设备等核心市场，也包括智能手机、航空、精准农业和搜救等辅助市场。GNSS 设备的数量预计将达到 70 亿，到 2019 年几乎是每人一台。智能手机以 30.8 亿领先市场，其次是道路导航设备，截至 2014 年为 2.6 亿。预计增长区域是亚太地区，增长 11%每年，到 2023 年，它将超过美国和欧洲市场的总和。中东和非洲将呈现19%的增长率，因为起点较低。

在智慧城市中，GNSS 将支持智能移动和 LBS 应用，以及自动驾驶解决方案、出行优化和自动交易，例如通行费和停车费。GNSS 将用于集装箱和其他移动资产管理。大数据分析将使用 GNSS 数据进行交通建模和管理以及人群控制。随着机器与机器交互的增加，GNSS 将成为物联网的重要组成部分。

核心市场（芯片组）将增长 8.3%，但由于成本降低，2020 年至 2023 年将放缓至 4.6%，但支持 GNSS 的设备下游市场将增长 7%，超过全球 GDP 预测的 6.6% . LBS 将占据 53.2% 的最大份额，其次是道路导航，占 38%。其他主要市场将进行调查（4.5%），农业为 1.9%。海事、航空、铁路和时间将贡献其余部分。虽然 GPS 是领先的 GNSS，其次是 GLONASS，但重点是有多少设备支持多个 GNSS 星座。仅支持一个 GNSS 星座的设备约占 40%，其余设备至少提供两个 GNSS 功能，其中 21% 支持所有四个全球系统，GPS、GLONASS、伽利略和北斗。

6. 前方的路

GNSS 已经扩散到四个主要的全球系统和两个区域系统。军事渊源和对独立军事能力的需要推动了这种增长。随着该系统向民用开放，出现了使该系统民主化的应用程序的爆炸式增长。新的应用程序正在快速生成，这是一个主要的增长领域，尤其是在亚太地区。

参考

https://www.geospatialworld.net/article/global-navigation-satellite-system-gnss/