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GNSS的详细资料讲解
绝代双骄
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现在，我们可以通过智能手机轻松确定位置和方向，如果回想古代探险家绕着圈子找路，尤其是在远离陆地的海上时，就会感到现在的导航技术更加神奇。早期导航依赖于星座，然后利用六分仪测量纬度。到19世纪末期，天文钟被广泛用于天文观测，以确定海上经度。卫星进入导航应用始于1964年，即Transit系统（称为NAVSAT或NNSS）。现在，在20，000km高空地球轨道上运行的31颗卫星组成了美国的全球定位系统（GPS），为全球任何持有GPS接收机的人提供导航。 GPS系统的基本原理是卫星发射无线电信号，在地球或接近地球的位置接收。卫星在任何时刻的位置是已知的，根据卫星发射无线电信号的传输延迟，可计算出接收机距离每颗卫星的距离或“行程”。知道距离各个参考点（即卫星）的距离后，即可计算得到接收机的空间坐标。
GPS系统包括三个部分：空间（卫星）、控制（地面站）和用户（接收机）。空间部分是卫星星座。GPS核心星座为24颗卫星组成的基线，每颗卫星大约12小时绕地球一周。该系统有6个轨道平面，每个平面4颗卫星，以及轨道上的备用卫星。在控制部分，地面站负责监测卫星，收集其在轨道上的位置、卫星时钟误差以及大气造成的信号延迟等信息。收集的信息被注入到卫星，然后再以导航消息的形式发送到地面接收机。卫星为定位提供参考点，需要知道卫星在地球轨道上的准确位置。卫星绕地球运动的椭圆轨迹取决于地球引力。而由于月球和太阳的引力作用、太阳辐射压力以及地球的不均匀密度等因素，存在一定的影响。在估算卫星位置时，为了获得足够精度，需要准确测量轨道摄动。 GNSS接收机确定三个空间坐标和接收机时钟偏差。三边测量定位技术利用圆和球面的几何学，根据测得的与每颗可见（地平面以上）轨道卫星的距离，确定绝对和相对位置点。例如，如果计算得到与某颗卫星的距离为20，450Km，就知道接收机一定位于以该卫星为中心、半径为20，450Km的球面上的某个位置。如果计算得到与第二颗卫星的距离为19，760Km，就知道接收机也一定位于以第二颗卫星为中心、半径为19，760Km的球面上的某个位置。因此，由于两个条件同时成立，接收机一定位于两个球面的交汇处。根据几何学，两个球面的交点是一个圆，所以这就把接收机的位置限定在圆上的某个位置。将本例扩展到第三颗卫星，即可将位置限定在两个圆的交点，即两个点。如果其中一个点是无意义的，例如地球内部400Km，那么即可将其排除，接收机就必定位于另一个点。卫星轨道可通过一组轨道参数表示。例如椭圆离心率就是其中一个参数。如果没有随机摄动，可根据轨道参数计算得到卫星任何时刻在轨道上的位置。表示轨道数据的通用术语是星历。NAV包含星历，以及获得星历数据时的时间（epoch）。地面监测站定期测量每个卫星的星历，并将该数据注入到每颗卫星。每颗卫星在NAV中广播其星历数据和epoch。由于摄动的原因，轨道参数存在一定的不准确性。所以NAV包括其轨道摄动的修正因子。每个卫星发射一个唯一的伪随机噪声（PRN）码，随机码是一个重复的序列码，重复周期足够长，具有与真随机序列类似的统计特性。凭借PRN码，接收机就能够将信号与卫星关联起来。为简单起见，假设接收机知道接收的是哪颗卫星的PRN，接收机即计算本地产生的PRN副本与接受到的PRN的自相关函数。通过重复移位本地随机码副本并计算自相关，接收机最终将找到最大相关系数1.0。为了解析从卫星接收的数据，接收机必须将本地随机码副本与接收到的随机码同步。一旦接收机知道必须将本地测距码副本移多少位才能获得与接收代码的最大相关系数，也就知道了信号传输延迟（模1ms）。有一个“1%分辨率”经验法则，说明实测延时的分辨率可达到1%。GPS L1 C/A码是最常用的民用GPS信号，所有民用接收机都能解码，PRN码的码片率为1.023 Mcps。相关处理支持测量延迟精度为1%码片，对应于0.01/1.023x106 = 9.8 ns。在光速下，对应的距离精度为 2.9m。 PRN码的另一作用是扩频调制。由于所有卫星都同时以相同的频率发射信号，必须有一种方法防止这些信号彼此干扰。所选的PRN码使任意两个码之间的互相关系数非常低。对于两个不同的PRN码，两者之间的滞后为任意值时，将这两个PRN码相乘，并对结果进行积分，将产生一个非常小的值。
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