【转】物联网之卫星导航系统

卫星导航系统的组成基本相同，以美国GPS为例。

GPS控制部分由1个主控站，5个监测站和3个注入站组成。控制部分主要用于监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。

主控站：从各个监控站收集卫星数据，计算出卫星的星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星；向卫星发布指令，控制卫星，当卫星出现故障时，调度备用卫星。

监控站：接收卫星信号，检测卫星运行状态，收集天气数据，并将这些信息传送给主控站。

注入站：将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。

GPS空间部分主要由24颗GPS卫星构成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星运行在6个轨道平面上，运行周期为12个小时。保证在任一时刻、任一地点高度角15度以上都能够观测到4颗以上的卫星。卫星在太空中会公布它的坐标位置，并且不停地发送导航电文。

终端设备如手机，开启GPS功能被动接收卫星信号用于导航定位。接收GPS信息同收听收音机广播一样，本身是免费的，广播信号被收或者不收，它都在那发射。获取GPS信息的费用在硬件芯片，终端用户无需付费。

假如告知某人，距离北京1000km，可知其所在位置是以北京为圆心，半径大约1000km的圆上；再告知其距离上海也是大约1000km，同样道理可知其在两圆心相交的区域；再告知其距离广州也在1000km左右，则缩小范围，大概是湖北神农架，传说有野人的神秘区域。

同样的道理，接收机也是根据多颗卫星到其距离的相交的球面某点，距离是卫星信号到接收器的时间乘以光速，多颗卫星的距离范围相交点即为接收器位置。

卫星广播的导航电文是由一组反映卫星在空间的运行轨道、卫星钟的改正参数、电离层延迟改正参数及卫星的工作状态等信息的二进制编码数据，也称为数据码。接收机获得了GPS卫星发送的广播星历，从星历参数中求解得到卫星坐标，以及时间戳用于计算距离。

理论上3颗卫星可定位，实际接收器的时钟精度有限，10的-6次方秒，即1微秒误差会产生300米的位置偏差，这个精度要求对接收器来说存在巨大成本压力，因此多加1颗卫星数据去求解接距离差，也就是实现3D定位（经度、纬度、海拔）至少需要4颗卫星，多多益善。

影响定位精度的因素，也就是对卫星与接收器距离计算有影响的不利条件。

1，卫星星历误差

2，卫星钟差

3，相对论效应的影响

1，电离层折射

2，对流层折射

3，多路径效应

1，由于热噪声、软件和各通道之间的偏差引起的观测值误差

2，接收机钟差

3，接收机周围环境带来的误差

在普通用户的角度，主要是传播途径误差，也就是环境影响，如天气（云层、雨雪、磁场）、建筑（高楼）、金属（车载定位器汽车外壳，含金属的保护膜），这些因素会降低信号强度，或者导致多径效应影响直线距离偏差，最终影响定位精度。尤其是接收机静止时，影响更明显，俗称静态漂移，只能通过信号强度或者其他传感器（如加速度、角速度）来过滤可疑点。

经纬度映射到地图显示位置，在国内因为政策考虑，须进行特殊处理，否则经纬度对应的地图位置，与实际位置存在较大偏差。

国际上采用的地心坐标系，坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH （国际时间服务机构）1984.0定义的协议地球极（CTP)方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系统。

GCJ-02 是由中国国家测绘局（G表示Guojia国家，C表示Cehui测绘，J表示Ju局）制订的地理信息系统的坐标系统，在WGS84经纬度的基础上执行加密算法而成，原始经纬度直接在 GCJ-02 坐标系下会定位到错误的地点，有种到了火星的感觉，因此也将 GCJ-02 戏称为火星坐标系。这是国家测绘局的国土安全考虑，国内如百度地图、高德地图等都需遵守，对实际位置服务，就需将原始经纬度进行转换再映射到地图坐标，也就是地图纠偏。

单点定位或绝对定位，就是通过一个接收器来确定位置，可通过对大量观测数据的分析、拟合而建立起来的经验公式，削弱因相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、卫星钟差。简单说就是单机持续工作再通过软件算法提高精度。

定位精度较高的是差分定位，或称相对定位，通过增加一个参考接收器来提高定位精度。利用两台接收器同时观测卫星信号，在一台接收器位置已知的情况下，可以算出此时此刻此区域的信号修正值，然后将该值同步更新到另一台接收器，辅助算出一个准确程度非常高的位置。

简单理解为已知参考点甲坐标100，但实际测到101，则可知此时此刻此地因为外界干扰会导致结果比实际大1，那么在附近的乙测得坐标为98，那实际可以纠正为97。

差分定位原理扩展后，可以在地面建立分布建立卫星观测站参考点，不断根据测量位置与已知实际位置的偏差值更新，通过网络交换告知周围的接收器，用于校准纠偏，提高定位精度。这种在方式称为地基增强系统。例如千寻位置、全图通、中海北斗等也是类似原理，将地基增强系统的纠偏信息保存在服务器，其他定位终端通过网络获取参考信息，来提高定位精度，但这不是免费的，而且应用范围有限；对接收器也需具备下载高精度定位参考信息的能力，如支持移动通信网络，这也是成本。

有地面有增强系统，同样有天空版本，即星基增强系统（Satellite Based Augmentation Systems  SBAS)。利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统。SBAS 系统主要由地面参考基站，主控站，上传站和地球同步卫星四部分组成，通过卫星发布包括卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息，接收机直接以此参考信息进行校准，这种方式对接收器要求低，但是定位精度提高有限。

目前全球发展的SBAS系统

欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，覆盖欧洲大陆；

美国的DGPS(Differential GPS)，美国雷声公司的广域增强系统(WAAS)，覆盖美洲大陆；

日本的多功能卫星增强系统（MSAS），覆盖亚洲大陆；

印度的GPS辅助型静地轨道增强导航（GAGAN）

双频定位，根据两个不同频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，从而提供更准确的定位信息。

以GPS为例，其发射导航电文载波频率是.L1的频段1575.42MHz，L5频段的1176.45MHz，L5的波长更长，传输衰减更小，因此同样环境下信号达到地面的功率更高。同样条件L5信号比L1信号的功率高6dB也就是4倍左右。电离层折射产生定位误差，支持L1、L5双频的接收机可以用两种频率的观测值加以组合来进行修正。支持双频可以提高定位精度，尤其是空旷地方，但弱信号区域效果不太明显。

接收器需要至少收到4颗卫星的导航电文才能3D定位，在任意位置和任意时间，因为接收器对当前卫星的分布情况完全未知，只能逐个扫描，这样称为冷启动，一般情况下搜寻定位需40s。热启动是在附近2小时内曾定位过，再次启动时，接收器根据缓存的卫星信息和时间推算，以此为参考提高搜星的效率，一般情况下小于3秒。冷启动与热启动中间的状态启动称为温启动。

温启动和冷启动定位慢，是因为接收机内无当前卫星星历数据，若采用其他方式如移动通信网络，将当前的卫星星历告知接收机，接收机可以有针对性的搜索，提高定位效率，该方案俗称辅助全球卫星定位系统（Assisted Global Positioning System，简称AGPS）。

AGPS一般为接收机提供当前UTC时间、当前大概位置、星历数据三种，根据这些信息，接收机推导运算得出此时此地的卫星信息，有针对的扫描，因此定位速度快，但不能提高定位精度。

AGPS可加快定位速度，是基于当前即使没有AGPS辅助也能定位的场合，假如在室内不可能定位的场合，即使正确的注入AGPS数据也是完全无用。

AGPS提供的星历根据其有效期分为在线版和离线包，在线版表示注入的数据一般2小时内有效，离线包有效期比较长，但是随着时间推移其效果是逐渐减弱的；而且离线包一般较大，比较耗流量。

目前芯片厂家免费提供AGPS星历数据，接收机通过TCP或者http下载，传闻未来将统一开始收费。AGPS功能的前提是接收器具备联网功能，如果无法联网，也可以每2小时内定时开启卫星定位，更新芯片内缓存，且不断电清缓存，缺点是平均功耗大。

NMEA 是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association ）为海用电子设备制定的标准格式，GPS导航设备统一的 RTCM 标准协议。每种都是独立相关的 ASCII 格式，使用逗号隔开数据，NMEA 实际上已成为所有的卫星导航系统接收机通用的数据输出格式。

NMEA-0183 协议定义的语句非常多，但是常用的或兼容性最广的语句如下

前面提到，目前全球卫星导航系统有四种，美国的全球定位GPS、俄罗斯的格洛纳斯GLONASS、欧盟的伽利略GALILEO和中国的北斗卫星导航系统BDS。一般定位芯片支持至少1种定位系统，但不管支持哪些系统，输出的NMEA数据格式都是统一的。差异只是关键字前面的前2字符，例如RMC包，单GPS的为GPRMC，单格洛纳斯为GLRMC，单伽利略为GARMC，单北斗的为BDRMC（个别芯片是GBRMC），包含多个系统信息组合的则为GN开头，如GNRMC。后面部分格式、含义则完全相同。

卫星导航系统应用广泛，与普通大众相关的诸如滴滴打车，司乘双方定位与目的地导航；美团外卖，搜索附近店铺以及送餐到家；长途自驾的高德导航、百度地图；汽车防盗、人员追踪的定位器。卫星导航、位置服务已经渗透到各行各业，未来高精度定位、万物互联具有一定的市场价值。