全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 是一種衛(wèi)星配置或星座，提供編碼衛(wèi)星信號，這些信號由 GNSS 接收器處理以計算位置、速度和時間。 GNSS 是一種被動系統(tǒng)，這意味著使用其技術(shù)的用戶數(shù)量沒有限制，可供世界各地的任何人使用。
1978年，美國發(fā)射了第一顆導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星。這導(dǎo)致了一個由 24 顆衛(wèi)星組成的全面運行的星座，稱為 NAVSTAR 全球定位系統(tǒng)，在 20 世紀 90 年代初開始運行。如今，該系統(tǒng)簡稱為全球定位系統(tǒng) (GPS)，其星座中包含 31 顆衛(wèi)星。
自從美國發(fā)射第一個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)以來，其他幾個國家也發(fā)射了類似的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座。其中一些系統(tǒng)目前已可供使用，而另一些系統(tǒng)將在未來幾年內(nèi)全面投入運行，如表 1.4 所示。
| 名稱 | 原產(chǎn)地 | 全面投入運營 | 衛(wèi)星數(shù)量 | 載波頻率 |
| GPS | 美國 | 1993年 | 31 | L1/L2/L5 |
| GLONASS | 俄羅斯 | 1995年 | 24+ | G1/G2 |
| Galileo | 歐洲 | 2020年 | 30（當(dāng)前22） | E1/E5a/E5b |
| 北斗 | 中國 | 2020年 | 30（當(dāng)前28） | B1/B2 |
| QZSS | 日本 | 2024年 | 7（4 當(dāng)前） | L1/L2/L5 |
GNSS 通過三個不同的部分運行，即空間部分、地面控制部分和用戶部分，如圖 1.3a 所示?？臻g段由放置在特定星座中的衛(wèi)星本身組成，如圖 1.3b 所示。地面控制部分利用世界各地的地球跟蹤站來管理整個導(dǎo)航系統(tǒng)。美國 GPS 系統(tǒng)的這些站點的具體位置如圖 1.4 所示。用戶部分由可在世界任何地方使用的 GNSS 接收器組成。
地面控制部分跟蹤并監(jiān)視衛(wèi)星軌道、時鐘和健康狀況中的錯誤和偏差。該信息通過無線電信號發(fā)送到空間段。通過地面控制部分跟蹤空間部分的軌道并向其上傳軌道修正的過程，衛(wèi)星能夠高精度地知道它們所在的位置。然后，衛(wèi)星將該信息傳輸回用戶段，在用戶段中對這些信息進行跟蹤、解碼并用于確定用戶的位置、速度和時間。
圖：1.4 GNSS 地面控制站
地面控制部分發(fā)送到衛(wèi)星的信號然后發(fā)送到最終用戶，稱為導(dǎo)航消息。 GPS 導(dǎo)航消息包含四個主要部分：GPS 時間、衛(wèi)星健康狀況、星歷和年歷。雖然本討論特定于 GPS 星座，但所有 GNSS 星座都存在基本特征。
導(dǎo)航消息中的 GPS 時間基于能夠保持高精度時間的原子鐘。它以周數(shù)和周秒數(shù)指定。周數(shù)是一個計數(shù)器，指定自 1980 年 1 月 6 日以來已經(jīng)過去的周數(shù)或第 0 周。但是，該計數(shù)器只能存儲從 0 到 1,023 的值，因此一旦在 1999 年 8 月 21 日到達第 1,024 周，然后又在2019年4月6日，周數(shù)回滾到0。周數(shù)的這個回滾周期將繼續(xù)每1,024周重復(fù)一次。一周秒數(shù)是指本周的秒數(shù)，從格林尼治標準時間周日中午 12:00 開始。
衛(wèi)星健康信息向 GPS 接收器傳達衛(wèi)星是否健康以及其傳輸?shù)膶?dǎo)航數(shù)據(jù)是否可信。如果衛(wèi)星被認為是“健康的”，則衛(wèi)星傳輸?shù)膶?dǎo)航數(shù)據(jù)被認為是可用的。然而，被認為“不健康”的衛(wèi)星包含部分或完全無法使用的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
星歷表包含特定于傳輸導(dǎo)航消息的衛(wèi)星的高精度軌道數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)自地面控制部分上傳至衛(wèi)星起最多只能在四個小時內(nèi)使用。因此，地面控制部分每四小時更新一次每顆衛(wèi)星的星歷表。幸運的是，GPS 接收器從衛(wèi)星下載完整的星歷表只需要大約 30 秒。
年歷是空間段星座中每顆衛(wèi)星的低精度星歷表的集合。該數(shù)據(jù)庫的更新頻率遠低于星歷表，GPS 接收器大約需要 12.5 分鐘才能下載完畢。由于年歷包含精度較低的星歷表，接收器主要使用此信息來確定哪些衛(wèi)星很快就會在地平線上可見并進行跟蹤。年歷還包含將 GPS 時間轉(zhuǎn)換為協(xié)調(diào)世界時 (UTC) 所需的閏秒信息，因為 UTC 比 GPS 時間滯后閏秒數(shù)。
GNSS 接收器跟蹤三個原始可觀測值：偽距、載波相位和多普勒。
為了確定從衛(wèi)星到用戶的距離，GNSS 接收器測量信號從衛(wèi)星傳播到接收器所需的時間。由于信號以光速傳播，因此接收器測量到的信號傳播時間的乘積（t）和光速（c) 等于范圍 (r = t ? c）。
然而，這種測量依賴于高精度計時。接收器使用低端時鐘而不是原子鐘進行計時，導(dǎo)致與真實 GPS 時間存在未知偏差。由于這種時鐘偏差誤差，接收器測量的不是衛(wèi)星的真實距離，而是偽距（r）。偽距是計算用戶位置和時間的基礎(chǔ)。
從衛(wèi)星發(fā)送的信號包含稱為載波的正弦信號。雖然信號本身不包含信息，但它攜帶包含已在其之上調(diào)制的信息的其他信號。從衛(wèi)星到接收器的距離可以分解為載波信號的整數(shù)個全波長加上分數(shù)波長。該分數(shù)波長稱為載波相位，可以直接測量。盡管獨立接收器無法估計整數(shù)個波長，但載波相位可用于多接收器技術(shù)（稱為 RTK）（參見第 1.5節(jié)），以實現(xiàn)高精度定位。
當(dāng) GNSS 接收器接收并跟蹤來自衛(wèi)星的信號時，由于用戶和繞地球軌道運行的衛(wèi)星的聯(lián)合運動，信號的頻率似乎會發(fā)生變化。這種頻率變化可用于確定相對速度。多次多普勒頻移測量能夠為用戶產(chǎn)生實際速度。
來自導(dǎo)航消息的信息和原始可觀測數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)可用于確定 GNSS 接收器的位置、速度和時間 (PVT)。
雖然距離測量衛(wèi)星和用戶之間的距離，但這種測量本身并不能提供用戶的位置。然而，如果能夠確定多個衛(wèi)星的距離測量，則可以使用稱為三邊測量的方法來估計用戶的位置。
三邊測量使用從衛(wèi)星到用戶的距離測量來創(chuàng)建包含用戶所有可能位置的區(qū)域。在 3D 定位的情況下，這個可能的區(qū)域是一個半徑等于距離測量值的球體，以衛(wèi)星位置為中心，如圖 1.5a 所示。一旦確定了另一顆衛(wèi)星的附加距離測量值，用戶可能的位置就可以縮小到球體相交的圓，如圖 1.5b 所示。
為了確定用戶的估計位置（精確到單個點），必須計算對三個不同衛(wèi)星的至少三個距離測量。這三個范圍測量提供了用戶可能所處位置的三個不同球體，并且全部相交于一點，如圖 1.5c 所示。實際上，由于各種誤差，這些測量值中的每一個都是不完美的，并且估計位置是根據(jù)這些測量值的最佳擬合來計算的，如圖 1.5d 所示。
雖然這是三邊測量的標準定義，但在 GNSS 的情況下，接收器不會測量到衛(wèi)星的真實距離，而是由于時鐘偏差誤差而測量偽距。事實上，需要第四次偽距測量來同時確定估計位置和估計時鐘偏差。請注意，在估計時鐘偏差時，也會考慮由于天線與其接收器之間的電纜長度引起的延遲，因此電纜長度不會影響定位結(jié)果。
GNSS 接收器使用精度較低的時鐘，然后使用從衛(wèi)星發(fā)送到接收器的信號中的特定定時消息來遵守 GPS 時間。一旦與 GPS 時間同步，接收器就可以在 GPS 時間的每秒頂部輸出一個脈沖每秒信號（PPS）。由于 GPS 時間的前一秒與 UTC 時間的前一秒相同，因此該輸出可用于許多不同的計時應(yīng)用，精度約為 10 納秒。
首次定位時間是 GNSS 接收器從衛(wèi)星獲取信號、執(zhí)行三邊測量并獲得位置解（有時稱為 GNSS 定位）所需的持續(xù)時間。該時間長度取決于 GNSS 接收器的啟動方式。接收器可以使用冷啟動、熱啟動或熱啟動來啟動。如表 1.5 所示，這三種不同類型的初創(chuàng)公司具有不同數(shù)量的信息可供接收器在獲取 GNSS 定位的過程中使用。
冷啟動需要最長的時間才能獲得 GNSS 定位，因為接收器不掌握有關(guān)衛(wèi)星位置的信息，并且必須完成 30 秒的星歷數(shù)據(jù)下載。熱啟動比冷啟動花費的時間更少，因為它已經(jīng)具有有效的年歷數(shù)據(jù)，但是，它并沒有快多少，因為它仍然必須等待獲取星歷數(shù)據(jù)。熱啟動所需的時間最短，通常只需幾秒鐘，因為接收器已經(jīng)具有有效的年歷數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)和時間。
GNSS 接收器啟動類型（表 1.5）
| 啟動 | 存儲的接收器數(shù)據(jù) | 例子 |
| 冷啟動 | 無可用信息 | GNSS 接收器首次打開，或者距離上次打開接收器已有很長時間。 |
| 熱啟動 | 接收器僅具有有效的年歷數(shù)據(jù) | 關(guān)閉一天后打開接收器。 |
| 熱啟動 | 接收器具有有效的年歷數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)和時間 | 當(dāng)接收器關(guān)閉時間少于四個小時時打開接收器。需要持續(xù)的備用電源來維持時鐘。 |
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