关于卫星定位，你想知道的一切

简介： 本文将简要介绍卫星定位的原理和应用状况，方便你们对北斗、卫星定位有更多的了解。

5G和北斗，是国之重器。北斗做为卫星定位系统，目前在国际上已处于领先地位，并且已经渗透到咱们工做和生活的方方面面。本文将简要介绍卫星定位的原理和应用状况，方便你们对北斗、卫星定位有更多的了解。

卫星定位的原理

卫星定位系统的英文是Global Navigation Satellite System(GNSS），虽然直接翻译过来是导航卫星系统，但它真正提供的能力是定位，能定位后，导航就变得相对简单了。卫星定位的原理，是利用卫星播发时间信号，当设备接收到后，能够根据信号发射时间和本地时间，计算出信号传输时间，再结合光速得到卫星-设备距离。

有了多颗卫星的信号，能够列出一组方程，求解4个未知数：设备的三维坐标x/y/z，以及本地时间与GNSS系统的时间差。

式中的表明卫星j的三维坐标，这个坐标能够经过卫星星历计算得到。

星历是描述卫星运行轨道的一组参数，卫星轨道是一个椭圆，经过几个参数和时间，能够惟一肯定卫星的准确位置。

星历的获取有两种方式，一种是卫星直接播发，这种方式的好处是定位过程不依赖卫星信号之外的任何输入，即便没有网络也能够定位成功，但问题是卫星链路带宽很小，要下载完整星历，须要30秒左右的时间，早期的手机和一些车载设备定位过程很慢，就是因为这个缘由。

另外一种方式，是经过互联网播发，这种方式叫A-GNSS，具体的传输协议叫SUPL(Secure User Plane Location)，这种数据通常不对应用层透出，在手机上，操做系统会在底层定时请求SUPL数据，而后将得到的星历注入GNSS芯片。有了A-GNSS，设备就能够在秒级得到定位，不须要任何等待过程，目前全部的手机都支持这种方式。A-GNSS的服务提供商，主要是通讯运营商，以及一些定位服务商，好比谷歌、千寻等。

卫星不间断的向地面广播信号，这个信号主要包括如下信息：

• 卫星编号。用于从星历中查找卫星轨道，再结合时间戳得到当前卫星位置

• 当前时间戳。用于得到卫星位置，另外一方面计算伪距。伪距是(本地时间-信号发射时间)*光速，之因此叫伪距，是由于本地时间与卫星时间不一样步，因此这个距离并非真正的设备-卫星距离。

• 星历数据。用于计算卫星位置。

像其余全部的通讯技术同样，这些信息也是以报文的形式发送的，以GPS为例，卫星会每隔6秒发出一个包，而这个包会分解为数据位-CA码序列-载波波形，经过天线发射到地面。地面设备持续锁定卫星，在解算时，计算每颗卫星当前时刻的时间戳（用最近一次收到的时间戳加上报文偏移量），而后进行位置解算。

载波的频率是1.5G左右，波长20厘米左右，比移动通讯的波长稍长一些，因此信号的穿透性仍是比较好的（波长越长，越容易绕开障碍物），能够穿透比较薄的墙壁或屋顶，因此在一些状况下即便没法直接看到天空，也是能定位的。可是卫星信号是从上往下，在室内很难穿越多层建筑。

卫星定位的另外一个特色是能够解算出速度，其依据是多普勒频移原理（与交警用的测速仪原理同样）。当信号源与接收设备存在相对运动时，接收到的信号频率会发生变化。

频率变化量与相对速度存在以下公式：

其中，公式左边是频差和波长，v是设备运动速度（矢量），vj是卫星运动速度（矢量），1j是卫星的投影方向，dt'是本地设备的频漂速度。只要测量了4颗星的频差，就能够解出本地设备的运动速度（与设备姿态无关）。

除了定位和测速，定位卫星还能够完成全球授时（解算过程当中得到本地钟差），这也是目前成本最低的高精度授时方法，比绝大部分设备自带的时钟都要准确。

通常而言，伪距测量值精度不如频率测量精度高（伪距定位精度在10米左右，而多普勒定速精度能够达到0.2米/秒之内，授时精度在20ns），缘由是伪距测量容易受到多种路径偏差影响（后面会介绍），而频率测量的干扰因素少不少。

卫星定位发展历程

最先的卫星定位系统，是美国在1960年代开发的子午仪系统，后续在70年代开发出了GPS定位系统，目前的GPS系统由24颗卫星构成。除了GPS，世界多国也开发出了本身的卫星定位系统，主要的有中国的北斗系统、欧盟的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳兹系统，此外日本和印度在开发区域定位系统。

除了天上的卫星，各定位系统还须要地面站对卫星的运行进行监测，包括健康度、轨道参数（计算完成后要注入卫星实现全球播发）、信号质量等，另外还须要对卫星进行控制。

各类卫星定位系统使用的技术相似，大多采用中轨道卫星（MEO，卫星高度2万千米），少数采用了地球同步轨道（GEO，卫星高度4万千米）和地球倾斜同步轨道（IGSO）。同时，信号播发大多采用CDMA技术，实如今同一个频率上传输多颗卫星的信号。为了让地面设备可以较好的接收来自几万千米外的信号，信号的数据速率都比较低，好比GPS L1频段的数据传输速率只有50字节/s，根据香农定理，C=B*log2(1+S/N), 在频率带宽B固定的状况下，随着传输速率C的下降，接收端在信噪比(S/N)比较低的时候也能够解出正确的信号，有利于持续的锁定卫星信号。

与其余定位系统相比，北斗的特色主要有：

• 亚太地区覆盖好。北斗系统由3颗地球同步卫星、3颗地球倾斜轨道同步卫星和24颗中轨道卫星构成，与GPS相比，北斗有6颗星持续覆盖亚太地区，极大提高了亚太地区可见卫星的颗数，一方面提升定位成功率，另外一方面也能提高精度（改善了GDOP，减小了偏差）。

• 北斗的同步卫星可用来进行通讯，地面设备能够将短报文发送到卫星（只用GEO卫星支持短报文）上，而后转发给目标终端，这种通讯是免费的，可是须要专门的天线和设备（须要将信号发射到4万千米远的地方，普通手机确定是不行的）。 

多个卫星定位系统的信号同时被收到时，全部的卫星能够一同参与解算（每增长一个系统，只需增长一个新的参数，即这个系统相对于GPS系统的时间差），使得定位精度能够得到提高。目前手机上没法选择参与定位的星座或者卫星，因此咱们没法指定只用北斗或者不用GPS定位。

咱们对比了手机端GNSS定位时，使用不一样系统的占比，能够看出GPS和格洛纳兹因为发展的比较早，在手机芯片侧的渗透率比较高，所以被使用的比例也最高，其次就是北斗。

按参与定位的卫星颗数统计，北斗排在第二位，仅次于GPS。 

由于各系统技术相似，其定位精度也是相似的，北斗也不例外，水平定位偏差通常在10米之内。垂直定位精度通常会差一些，主要是因为卫星都分布在设备的一侧，垂直方向上的偏差难以修正。

卫星定位接收机构成

卫星定位接收机的原理图如上图所示，主要的模块包括：

1. 天线

用于接收卫星信号。因为卫星信号微弱，天线固然是越大越好，可是因为接收机须要移动，天线尺寸受到制约。天线的主要做用是放大信号和抑制多径，主要的类型有如下几种

左边的是比较常见的天线，内部是陶瓷天线，外部带磁铁，能够吸附在车顶；中间的是专业天线，旁边带扼流圈，能够抑制来自四周和地面反射的信号，只接收从天顶方向来的信号，这种天线的效果最好，通常用于专业研究和高精测绘；右侧是手机天线，长度只有几厘米，效果最差。

卫星信号的电磁波是圆极化的（传播时在垂直于传播方向的一个平面上波动），所以，采用圆极化天线（如平面的陶瓷天线）接收效果最好。但手机上天线尺寸过小，只能采用线极化天线，信号捕获能力大幅降低，再加上缺少信号屏蔽（扼流圈），极易受到多径效应以及其余信号干扰。 

1. 射频前端

这个模块主要是将原始信号进行下变频、功率放大以及滤波，提取真正有用的信号，便于解码处理。

1. 基带处理

这个模块是对卫星信号进行解码，得到卫星报文。每颗卫星的信号须要一个单独的通道进行处理，若是有100颗卫星，2个频段，那可能须要200个通道才能有效处理这些信息。通道数越多，能够得到的卫星观测值也就越丰富，定位精度也就越高。

 解码的过程，分为搜索-锁定-分析三步，首先生成每颗卫星的伪码，而后与信号进行自相关操做，相关度达到必定程度就能够锁定卫星，而后进行码锁定、位同步、帧同步，最终提取出报文。这个过程要持续进行，由于多普勒效应，信号的频率会不断变化，因此本地生成的伪码也要不断变换频率去适配卫星的变化。一旦失去锁定，就会丢失信号，也就没法定位了。

1. PVT解算

PVT包括Position，Velocity和Time。这一步是真正进行定位的步骤，是利用基带解码得到的报文，提取出时间戳、星历等信息，代入公式进行计算，而后将计算结果输出给应用程序。

定位偏差来源与精度提高

卫星定位虽然已经很准确了，可是在某些场景下，仍是没法知足需求，好比，打车的时候定位点离车辆有必定距离、步导的时候难以区分方向甚至会定位到马路对面、静止的时候定位点总数飘来飘去、室内的时候定位点乱飘。这须要从卫星信号的发射、传输、接收过程来解释。

卫星信号从发射到被设备接收，须要通过大气层，其中，大气电离层有数千千米厚，这部分大气很是稀薄，可是存在大量被电离的电子，这部分电子会让电磁波变慢一点，从而产生延迟。在对流层，也会产生必定的延迟。在地表附近，因为各类建筑、山体、水面的影响，卫星信号可能被反射或折射（多径效应），产生延迟。

在卫星信号发射侧和接收侧，也有不少系统相关的偏差，好比时钟误差、处理延迟等，这些延迟加上传输延迟，使得卫星信号的传输时间，并非准确的等于物理距离/光速，另外一方面，卫星的星历也有偏差，卫星位置和真实位置存在误差，最终形成了定位结果产生误差。

要提高定位精度，须要想办法消除这些偏差，主要有如下几种方案。

双频GNSS

不一样频率的电磁波经过电离层时会有不一样的延迟，人们发现，对两个或多个频率的观测值进行线性组合，能够消除电离层偏差，从而能提高精度。这就是双频GNSS定位的原理。小米8是业界第一款支持双频GNSS定位的手机，后续各大厂商均进行了跟进，一些高端手机均采用双频定位。消除电离层偏差后，定位精度能够提高到5米之内。

地基/星基加强

星历偏差、卫星时钟偏差、甚至是电离层和对流层偏差都是能够观测或建模的，一旦计算出了实时的偏差值，就能够经过一个单独的通道进行播发，接收设备在定位过程当中使用这些修正项，就能够提高定位精度。播发的通道通常有两种，一种是直接经过卫星播发，称为SBAS(Satellite-Based Augmentation System)，好处是覆盖广，但设备须要增长额外的信号接收通道；另外一种是地基加强，好比经过互联网，这须要设备具有联网能力。

这些加强方式对于精度提高是有限的，仍是有不少偏差项没法消除，好比电离层偏差。

高精定位-差分定位(RTK)

RTK是Real - time kinematic的缩写，是一种差分定位。其原理是利用一个参考站提供基准观测值，而后用设备的观测值与基准站的观测值进行差分，差分后能够消掉星历偏差、卫星钟差、电离层偏差，再进行星间差分后能够进一步消除掉设备的钟差，最终能够算出设备相对基准站的相对坐标，若是基准站位置已知，就能够完成准确的绝对坐标，精度能够达到厘米级甚至毫米级。

RTK能提高精度的另外一个缘由是引入了载波相位观测，相比伪距观测值，载波相位观测值的偏差更小。

使用RTK，须要在附近20km内有参考站（距离太远，电离层偏差不同，作差分没法彻底消除偏差），同时须要持续不断的得到参考站的观测数据（通常经过互联网传输，使用RTCM协议），所以相对普通的定位，RTK定位成本较高，但对于一些对精度要求很高的场景，好比车道级定位、自动驾驶等，是必不可少的。

RTK服务通常由专业服务商提供，如千寻、六分，这些服务商在全国范围内部署了数千个基准站，持续对订阅用户播发数据。

高精定位-精密单点定位(PPP)

RTK须要布设密集的参考站，有没有办法不依赖参考站？PPP(precise point positioning)就是一种方法，它的原理是对每一种偏差进行准确建模，最终求解出卫星和设备之间的准确距离。为了肯定准确的偏差，PPP定位时须要不断的迭代内部参数，并且，一些卫星的偏差只有当卫星位置变化后才能体现出来，因此PPP须要比较长的收敛时间，通常须要30分钟才能收敛到理想的精度，如何更快的收敛是目前学术界的一个研究热点。

组合定位

卫星定位的一个最大问题，就是丢失卫星信号后如何定位，这就须要其余定位方式来补充。组合定位是利用卫星信号和其余定位技术，好比惯性导航，来完成定位，两者相互配合。最简单的一个例子，就是卫星定位是有一个最高频率的，通常最可能是10Hz，在两次定位之间，可用惯导来进行位置推算，得到更高频率的位置输出。而组合导航最重要的做用，是提高精度，好比，利用卡尔曼滤波方法，用惯导计算推算位置，用卫星定位提供观测量，对推算位置进行修正，这可让定位结果更加平滑，并且能够对异常的卫星观测量进行过滤或降权。

手机上的卫星定位

在移动互联网出现之前，卫星定位终端是一个很专业的领域，只有测绘、军事等领域会应用这种技术，定位须要使用专用的接收机，好比Trimble、ublox等。随着智能手机将卫星定位芯片集成，卫星定位的应用获得爆发式增加，终端数量一会儿提高到几十亿量级，也产生了海量的位置数据。

手机上的卫星定位与专业接收机，仍是存在比较大的差别，主要体如今：

• 手机受限于尺寸，天线比较小，对原始信号的捕获、锁定、去噪能力都比较差，形成接收到的信号质量自然不如专业接收机。

• 手机上芯片成本比较低，支持的通道数比较有限，一次定位可以解码的卫星数量和系统数量都比较少，主要是单频，少数是双频，没有三频。 

• 手机上对功耗、性能开销的要求比较高，不能花费大量资源在定位上，解算算法的复杂度比较低，效果也比较有限，精度比较差。

苹果手机

苹果手机的定位能力是彻底封闭的，对外只透出定位结果，外部基本没法拿到任何定位相关的原始观测量，好比卫星数量、类型等。好消息是，iPhone12终于开始支持北斗了。从苹果的API上，外界甚至没法区分定位结果究竟是来自卫星定位仍是网络定位（目前仅能经过速度的符号来判断，但苹果对此没有任何承诺）。因此，基于苹果手机，咱们基本没法作出优化，苹果手机上高德地图的定位点都是iOS底层直接提供的。

安卓手机

安卓手机比苹果手机开放的多，在定位能力方面提供了一系列API：

• 能够单独获取卫星定位结果或网络定位结果，也能够同时进行两种定位。 

• 提供了NMEA格式（一种卫星定位结果的规范化表达）的结果数据，能够获取每颗卫星的ID、类型、信号强度，以及xDOP等细粒度的偏差描述。

• 提供了GnssStatus来描述每颗卫星的状态，内容比NMEA更全面。

• 提供了GnssMeasurement来描述原始观测量，包括伪距测量值、载波相位测量值、卫星锁定状态等。

• 提供了GnssClock描述本地时钟的状态。

• 提供了GnssNavigation透出最原始的未解码报文。

有了这些信息，经过一些App就能够实时看到当前的卫星状态，例如Androits gps test, GPStest等

另外，咱们还能够进行卫星定位的软解算，对卫星定位结果进行修正，甚至替代。咱们主要尝试解决两类问题：

• 定位不许：对卫星定位结果进行质量判断，识别其中的大偏差点，优化精度，或者优化精度半径，使下游使用定位点的时候，可以差别化的处理。

定位不许的缘由，主要是来自卫星信号中含有偏差，而影响最严重，也是最难抑制的，就是多径形成的影响。

另外一类定位不许的问题，是系统将其余定位结果伪造为卫星定位结果。好比，将网络点冒充为卫星定位点。

• 没法定位：系统不输出定位结果时，尝试进行软件解算。 

没法定位最主要的缘由，是信号接收条件很差，好比室内遮挡、高架遮挡、高楼遮挡。在开阔地带没法定位，通常是设备Bug，重启设备后通常都能解决。

卫星定位将来展望

随着移动用户量持续增加，以及物联网的大范围普及，卫星定位技术还会持续快速发展。

在卫星侧，将出现低轨定位卫星（距地面几百千米）。传统上的定位卫星因为要覆盖较大的地理范围，高度通常都比较高，运行在中轨轨道上。随着火箭发射技术的革命，卫星发射成本急剧降低，向太空发射大批量低成本卫星的方案成为可能。好比spacex已经发射了上千颗“星链”卫星。

低轨卫星进行定位有几个好处：

• 距离近，信号更强，设备侧接收到的卫星信号更好。

• 能够传输更多的数据，好比各类修正数据。

• 位于电离层底部，电离层偏差小。

• 卫星仰角变化快，PPP定位能够更快收敛。

在设备侧，高精定位将大范围普及，华为P40是首个支持RTK的智能手机，能够作到0.5米的精度。高通也即将发布支持RTK的移动芯片，在2021年上半年，更多支持RTK的智能手机将会上市。

在应用侧，高精定位的应用场景会不断涌现，如今的一些典型应用场景包括：

• 传统测绘 

• 精准农业，机械化自动化种植和收割

• 车道级导航和自动驾驶

• 共享单车的精准停放

• 无人机导航

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