直播回放 | 高精度卫星定位技术科普

5月19日19：00司南导航举办了“高精度卫星定位技术及应用分享”线上研讨。我们特将其中精华整理成文，以飨读者。

同时，为大家准备了直播回放，错过直播的朋友可不要再错过回放啦~来来来，戳视频，带你重回直播现场！

1、卫星导航系统组成

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）能够在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时（Position、Navigation、Timing，PNT）服务。目前GNSS主要包括以下四个系统：美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System，GALILEO）以及俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）。此外，部分国家和地区还建立了区域增强的卫星导航系统，如日本的准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）以及印度的区域导航系统（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS/NAVIC）等。

GNSS由图1所示的三个独立部分组成：空间段、地面段和用户段。整个GNSS的工作原理可简单地描述如下：首先，空间段的卫星星座向地面发射信号；其次，地面段的监控部分通过接收、测量各颗卫星信号，进而确定卫星的运行轨道，并将卫星的运行轨道信息发射给卫星；最后，用户段设备通过接收、测量各颗可见卫星的信号以及卫星轨道信息，进而确定用户终端设备的空间位置信息。

图1 卫星导航系统组成

2、BDS卫星导航系统概述

BDS是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统。20世纪后期，中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：

第一步，建设北斗一号系统（BDS-1）。1994年，启动BDS-1工程建设；2000年，发射2颗地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星，建成系统并投入使用，采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年发射第3颗GEO卫星，进一步增强系统性能。第二步，建设北斗二号系统（BDS-2）。2004年，启动BDS-2工程建设；2012年年底，完成14颗卫星（5颗GEO卫星、5颗倾斜地球同步轨道（Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO）卫星和4颗中圆地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）卫星）发射组网。BDS-2在兼容BDS-1技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。第三步，建设北斗三号系统（BDS-3）。2009年，启动BDS-3工程建设；2020年7月，完成30颗卫星发射组网，全面建成BDS-3。BDS-3继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制，能够为全球用户提供服务。图2展示了BDS 三个阶段空间段卫星星座示意简图。2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。

相较于其他GNSS，我国建设的BDS具有以下特点：

（1）BDS空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，分别为GEO、IGSO和MEO，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能优势更为明显。

（2）BDS提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

（3）BDS创新融合了导航与通信能力，具备PNT、星基增强（Satellite-Based Augmentation Syste，SBAS）、地基增强（Ground-Based Augmentation System，GBAS）、精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）、短报文通信（Short Message Communication，SMC）和国际搜救（Search And Rescue，SAR）等多种服务能力。表1列出了BDS-3基础服务和性能指标参数。

图2 BDS空间段卫星星座

 表1 BDS-3基础服务与性能指标

北斗系统提供服务以来，已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用，服务国家重要基础设施，产生了显著的经济效益和社会效益。基于北斗系统的导航服务已被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用，广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域，应用的新模式、新业态、新经济不断涌现，深刻改变着人们的生产生活方式，图3表示BDS的各项服务在各行各业的具体应用。中国将持续推进北斗应用与产业化发展，服务国家现代化建设和人民日常生活，为全球科技、经济和社会发展做出贡献。

图3 BDS行业应用

3、卫星信号与导航电文

GNSS卫星所发射的信号结构上可分为三个层次：载波、伪码和数据码。其中，伪码和数据码共同先通过调制而依附在正弦波形式上的载波上，然后卫星将调制后的载波信号播发给用户段。

GNSS卫星均采用L波段播发各自相应的频率的载波信号，表2列出了采用码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的GNSS系统以及区域卫星导航系统所采用的频点信息，其中大部分GNSS系统采用3频信号，而BDS-3 和Galileo更采用了5频信号，能够通过多频信号组合使用等方式为用户提高服务精度和性能。

表2 CDMA各GNSS采用频点对比

用户段终端设备通过对接收到的卫星信号进行载波解调和伪码解扩，然后按照导航电文的格式可最终将数据码编译成导航电文。导航电文中包含卫星星历参数、卫星钟差参数、群延迟时间改正参数、电离层延迟改正参数、卫星健康状态信息、完好性参数、UTC时间同步参数和卫星历书等相关信息。表3根据各GNSS的接口控制文件（Interface Control Document，ICD）文件列出了相应的导航电文与信号类型信息。多种导航电文分别代表不同的导航电文信息，向用户提供不同类型的服务。

卫星定位原理：用户段利用接收机终端设备观测到 4 颗（及以上）的卫星至接收机间的距离，以及利用卫星星历确定观测瞬时卫星的空间位置和卫星钟差，通过空间距离后方交会的方法确定接收机的空间位置以及钟差信息（简称时空信息）。图4为卫星定位原理示意简图。

图4 卫星定位原理

卫星定位误差按照其误差来源可大致分为以下三个方面：

（1）与卫星相关的误差：这部分误差主要包括卫星星历误差、卫星钟差和卫星天线相位中心偏差等误差；

（2）与传播路径相关的误差：这部分误差主要包括电离层延迟、对流层延迟和多路径效应等误差；

（3）与接收机终端相关的误差：这部分误差主要包括接收机钟差、接收机天线相位中心偏差和接收机设备硬件延迟等误差。

根据卫星定位误差的不同特性，一般常采用模型法、求差法、参数法和回避法来处理和削弱误差项对定位结果的影响，最终实现高精度定位的目标。

在实际工程应用中常用的高精度定位技术包括实时动态测量（Real Time Kinematic，RTK）和精密单点定位（Precise Point Positioning）技术等。其中RTK定位原理是将卫星导航定位技术与通信传输技术相结合，是实时处理两个以上测站载波相位观测量的差分数据处理技术，瞬时获得移动站高精度的位置信息，图5表示RTK技术定位原理。

图5 RTK 技术定位原理

而PPP定位原理是指利用单台接收机的载波相位观测值以及由国际GNSS服务（International GNSS Service，IGS）等组织提供的高精度卫星星历及卫星钟差等来进行高精度单点定位的方法，图6表示PPP技术定位原理。

图6 PPP技术定位原理

2035年前，我国将建成以BDS为核心，更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合PNT体系，为未来智能化、无人化发展提供核心支撑。司南导航将会立足于高精度GNSS核心技术，进一步突破高精度GNSS核心算法、芯片、板卡、终端、应用及产业化等关键技术瓶颈，加强与合作伙伴互利互惠，为客户提供专业、无忧的技术保障和服务支持。