什么是GNSS？

GNSS的全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強的。GNSS是覆蓋全球的自主地利空間定位的衛(wèi)星系統(tǒng)，用于導(dǎo)航與定位測量，簡單來講，GNSS系統(tǒng)就是利用衛(wèi)星信號傳輸實時位置與時間信息，并從而計算得到地面接收設(shè)備的經(jīng)緯度等地理位置信息。

GNSS系統(tǒng)和其他衛(wèi)星通信一樣，可以從結(jié)構(gòu)上大概分成三部分：空間段-地面段-用戶段，其中：

• 空間段：在地球上空20,000至37,000公里之間運行的GNSS衛(wèi)星；這些衛(wèi)星廣播信號，識別正在傳輸?shù)男l(wèi)星及其時間、軌道和健康狀況。
• 地面段：是一個由位于世界各地的主控、數(shù)據(jù)上傳和監(jiān)測站組成的控制網(wǎng)絡(luò)，主要負責這些站接收衛(wèi)星信號，并將衛(wèi)星顯示的位置與軌道模型顯示的位置進行比較并進行修正。而這里的軌道模型與預(yù)測數(shù)據(jù)就被稱為星歷（ephemeris）
• 用戶段：所有可以接收衛(wèi)星信號并根據(jù)至少四顆衛(wèi)星的時間和軌道位置輸出位置的設(shè)備都可以稱之為用戶端，主要包含信號接收天線，可處理該信號并輸出位置信息的接收與定位模塊。其中有采用基準站與流動站參照提高定位精度的定位模塊，也就是RTK。目前，隨著自動駕駛與智能物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，高精度定位發(fā)展也越發(fā)迅猛，對定位精度與定位效果測試的需求也越來越多。

GNSS的發(fā)展歷程

GNSS技術(shù)是一種衛(wèi)星通信技術(shù)，更是一種無線通信技術(shù)。無線通信技術(shù)發(fā)展至今不過200余年，衛(wèi)星通信則更短，因此GNSS的發(fā)展歷史并不算長。

GNSS的發(fā)展可以追溯到世界上第一顆人造衛(wèi)星Sputnik，它是由蘇聯(lián)研發(fā)，用于大氣層環(huán)境測試與無線電與光學軌道追蹤方法測試，這引發(fā)了美蘇之間的太空競賽。3年后，美國軍方開發(fā)了世界上第一套基于多普勒效應(yīng)的定位系統(tǒng)Transit。

此后為了提高定位精度，美國研發(fā)了更為精準的基于衛(wèi)星位置與特定時間精準測距的Timation，這也被認為是GPS的先驅(qū)。此后美、蘇持續(xù)研發(fā)GNSS定位技術(shù)。1973年，美國建立GPS基礎(chǔ)架構(gòu)，并逐步完善；1982年，GLONASS系統(tǒng)在經(jīng)過十多年的研發(fā)后最終成形；2000年，中國引入北斗系統(tǒng)；2010年，日本發(fā)布準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）；2005年，歐盟推出伽利略系統(tǒng)；2013年，印度推出印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (IRNSS)，現(xiàn)稱為 NavIC。

GNSS定位原理

GNSS 定位基于三角測量原理，依賴于對接收器與每顆可見衛(wèi)星之間的距離的估計，即三點定位法，空間中三個圓的交點即是定位位置（實際上數(shù)學問題中三個圓的交點可能不止一個，但是剩余的都會被視作異常，如不在地球表面等），從這個角度講，定位最少需要三顆衛(wèi)星。但是，實際應(yīng)用中有所不同：因為GNSS信號需要傳播的距離非常遠，期間存在大量干擾與削弱，因此統(tǒng)一的時間參考誤差極大，所以實際應(yīng)用中會將時間作為第四個變量：接收器參考與衛(wèi)星機載時鐘之間的時間差。

GNSS的類型與區(qū)別

正如上文所說，目前GNSS泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強的：

• 全球?qū)Ш较到y(tǒng)：美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗（COMPASS）系統(tǒng)，即四大系統(tǒng)。
• 區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)：日本的QZSS，印度的IRNSS系統(tǒng)
• 增強系統(tǒng)：美國的WAAS（廣域增強系統(tǒng)）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)）和日本的MSAS（多功能運輸衛(wèi)星增強系統(tǒng)）等。星基增強系統(tǒng) (SBAS)提供全局誤差校正以提高 GNSS 應(yīng)用的準確性。許多國家管理著自己的 SBAS 系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通常被認為與傳統(tǒng)的 GNSS 星座分開。

這些星座使用L波段的無線電頻率（一般指1100-1600MHz）來傳輸它們的信號，每個星座可能會為這些信號選擇不同的頻率并使用對應(yīng)的標簽，GNSS定位設(shè)備通常接收至少兩個頻率。

GNSS的類型

GPS系統(tǒng)（美國）

GPS系統(tǒng)，即全稱全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System），是世界上第一個在太空中建立的星座，目前該系統(tǒng)有34顆在軌衛(wèi)星，支持L1（1575.42 MHz）、L2（1227.60MHz）和L5（1176.45MHz）頻率，正在通過部署新的GPS III衛(wèi)星對其進行現(xiàn)代化改造。

北斗系統(tǒng)（中國）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS，簡稱北斗，是目前世界范圍內(nèi)最大的GNSS星座。20世紀后期，中國開始探索適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路，逐步形成了三步走發(fā)展戰(zhàn)略：2000年年底，建成北斗一號系統(tǒng)，向中國提供服務(wù)；2012年年底，建成北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；2020年，建成北斗三號系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)，目前有51顆衛(wèi)星在軌。

北斗系統(tǒng)具有以下特點：

• 北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯。
• 北斗系統(tǒng)提供多個頻點的導(dǎo)航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務(wù)精度。
• 北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具備定位導(dǎo)航授時、星基增強、地基增強、精密單點定位、短報文通信和國際搜救等多種服務(wù)能力。
• 北斗衛(wèi)星目前發(fā)射多種信號，包括B1I（1561.098 MHz）、B1C（1575.42 MHz）、B2a（1175.42 MHz）、B2I和B2b（1207.14 MHz）和B3I（1268.52 MHz）。

GLONASS系統(tǒng)（俄羅斯）

GLONASS格洛納斯，全稱為 “全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”，最早開發(fā)于蘇聯(lián)時期，前身為Parus，后由俄羅斯繼續(xù)研發(fā)。自2011年起全面運行，目前有27顆衛(wèi)星在軌運行，GLONASS衛(wèi)星在GLONASS L1（1598.0625-1605.375 MHz）、L2（1242.9375-1248.625MHz）和L3（1202.025 MHz）頻率上廣播信號。最新一代衛(wèi)星GLONASS-K于2016年2月投入使用。

Galileo系統(tǒng)（歐盟）

伽利略是一個較新的星座，于2011年首次發(fā)射，由歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)局在歐盟以外運營，目前有30顆在軌衛(wèi)星，這些衛(wèi)星沿L波段頻譜傳輸，將其頻率標記為 E1（1575.42MHz）、E5（1191.795MHz）、E5a（1176.45MHz）、E5b （1207.14MHz）和E6（1278.75MHz）。除了基于E1和E5頻段信號的高質(zhì)量開放服務(wù)外，Galileo還是第一個為遇險用戶提供回傳鏈路的GNSS星座。

QZSS系統(tǒng)（日本）與IRNSS/NaVic系統(tǒng)（印度）

二者都是區(qū)域性的導(dǎo)航系統(tǒng)，QZSS全稱為準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)Quasi-Zenith Satellite System，目前共有四顆衛(wèi)星，與GPS L1、L2、L5同頻；IRNSS/NaVic,印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS)、NAVIC，在軌數(shù)量8顆，與GPS L5同頻。

GNSS的區(qū)別

最直觀來講，它們擁有著不同的頻段與編碼方式：

針對主流的四大星座的對比：

此外，衛(wèi)星的增強系統(tǒng)(SBAS)提供全局誤差校正，以提高GNSS應(yīng)用的準確性、完整度、連續(xù)性與可用性。

GNSS測試

目前GNSS測試一方面主要是各類接收機本身的測試項目會用到，例如定位時間測試、捕獲時間測試、接收機靈敏度測試、觸發(fā)精度測試等。這類測試結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易。

此外，伴隨著自動駕駛與相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，針對高精度定位的測試也越發(fā)頻繁，包括V2X、車輛導(dǎo)航、車內(nèi)娛樂系統(tǒng)測試等等，這部分測試大部分都需要在真實環(huán)境中聯(lián)調(diào)測試，無法進行單個模塊的性能測試，因此HIL（hardware in loop）硬件在環(huán)仿真測試方法逐漸成為主流，而這也對測試的需求、架構(gòu)、精度等提出了更高的要求。

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在本期文章中，我們介紹了GNSS技術(shù)的發(fā)展歷程、原理，并對不同類型的定位技術(shù)進行了介紹，在下一期文章中我們將繼續(xù)討論GNSS的優(yōu)點與應(yīng)用及其測試方法和解決方案。

參考：

① 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)站

② First-TF：What is GNSS?

③ Fibocom：一文讀懂GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）

④ HEXAGON：What are Global Navigation Satellite Systems?