导航的必要性
导航作为一种自然存在的行为,在古代通过人们的记忆和标识来进行,但这种方式极度依赖个人经验。为了减少这种依赖并提高效率,人类开始绘制地图,但这仍然存在诸如准确性低、规划困难、更新缓慢、存储性差等问题。随着科技的发展,现代卫星导航系统结合其他导航技术(如惯性导航和无线电导航),有效地解决了这些难题。
什么是GNSS
GNSS全称为Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统。其核心的服务为PNT(Positioning, Navigation and Timing),即提供定位、导航和授时服务。除了这些基本服务之外,部署增强系统还可以提供更加复杂的服务。
主流的全球性导航卫星系统有:
● 美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)
● 俄罗斯的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GLONASS)
● 欧洲的伽利略系统(Galileo Satellite Navigation System,Galileo)
● 中国的北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)
表1 全球性GNSS系统PNT服务信号情况
GNSS的工作原理
GNSS基于三角测量的原理,通过时间计算距离,即到达时间(TOA,Time of Arrival)来实现位置的确定。
图1.a所示,如果只有一个信号源,定位点P是无法被唯一确定的。
图1.b中有两个信号源发射信号,定位P点和P’都是可能的定位点,此时需要其他的补充手段(如仰角)来确定准确的定位点。
图1.c使用三个信号源发射信号,当三个信源都达到P点的探测半径,P点将被唯一确定,但实际上,公共时钟同步是有误差的,路径衰落也影响探测半径的计算。此时就会出现图1.d的情况,只能模糊地知道P在阴影范围内。误差校正是一门严谨的学问,发展至今已经可以把定位误差缩小至人们可以接受的范围内。
图1 三圆相交示意图
公共时钟存在误差这一问题使得求解位置不仅要知道三个卫星的探测半径,还要知道钟差,所以要求接收机至少能同时看到四颗卫星。实际系统的部署通常能同时看到六颗以上的卫星,通过最小二乘法找到最优的四个参数解来缩小误差。
● 但是由于各种原因,定位服务远远达不到人们所需要的精度,并且定位时间也不理想。现有两种主流的技术用来优化精度和时间:
D-GNSS即差分GNSS优化精度,在地面建立基准站接收卫星信号,通过计算为用户终端提供修正数据,差分方式中有位置差分、伪距差分和载波相位差分,其中载波相位差分(RTK,Real Time Kinematic)已经可以将精度做到cm级。
● A-GNSS即辅助GNSS优化时间,借助移动通信基站向用户终端提供辅助信息,可将首次定位时间缩小到独立定位的十倍以上。