卫星导航的定位原理及未来趋势

卫星导航或卫星导航系统是使用卫星提供自主地理定位的系统。覆盖全球的卫星导航系统称为全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）。

截至2023年，有四个全球系统投入运行：美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、 中国的北斗卫星导航系统和欧盟的伽利略卫星定位系统（Galileo）。投入使用的区域卫星导航系统包括日本的准天顶卫星系统（QZSS），这是一种基于 GPS卫星的增强系统，旨在提高 GPS 的精度，计划于 2023 年实现独立于 GPS 的卫星导航，以及印度的区域导航卫星系统（NavIC）。上述导航系统都向国际社会提供了免费使用的服务。

GNSS系统比较

GNSS的落地信号功率在-125 dBm左右，不同国家的卫星可能有所不同。

定位原理

全球导航卫星系统（GNSS）的定位原理是基于三角测量和卫星信号传输的原理。以GPS系统为例，基本的GPS服务为用户提供大约7.0米的精度（95%的时间，地球表面），接收器通过来自至少四颗卫星的信号组合来确定它们的位置和时间。GPS卫星携带原子钟，可以提供极其精确的时间，时间信息被放置在卫星广播的代码中，使得接收器可以连续地确定信号被广播的时间。

该信号还包含接收器用来计算卫星位置和进行精确定位所需的其他调整的数据。接收器使用信号接收时间和广播时间之间的时间差来计算从接收器到卫星的距离。有了关于三颗卫星的距离和发送信号时卫星的位置信息，接收器可以计算自己的三维位置。为了根据这三个信号来计算距离，还需要与GPS同步的原子钟，但可以通过对第四颗卫星进行测量来获得接收机的时间信息。因此，接收器使用四颗卫星来计算纬度、经度、高度和时间。

如图所示，卫星和用户之间的距离ΔL（这个距离也被称为“伪距”） ，卫星的坐标（x’,y’,z’）是已知的，用户的坐标（x,y,z）是未知的。假设信号的传输速度基本上几乎等同于光速c，卫星上的时间为t。用户终端的时间为t’，那么，卫星和用户之间的距离ΔL可以通过下面这个公式算出：

卫星信号从发射到被接收，需要经过大气层。当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，使其信号的传播路径发生变化。在对流层，信号的折射与大气压力、温度和湿度变化密切相关。在地表附近，由于各种建筑物、水面、山体的影响，卫星信号可能被反射或折射（多径效应），信号叠加将会引起测量参考点位置的变化，从而对观测量产生误差。

此外，还可能存在系统相关的误差，包括星历误差、时钟误差、相对论效应等。为了提高定位的精度，接收器还需要考虑和校正上述误差，主要有以下几种方案。 RTK定位

RTK（Real - time kinematic）称为实时动态载波相位差分法，计算的是两个测站的载波相位观测值。基准站首先将自己获得的载波相位观测值及站点坐标，通过数据通信链路实时发送给周围的接收机（移动站）。接收机使用动态差分定位的方法确定其相对基准站的坐标，然后根据基准站的坐标反算自己的瞬时坐标，精度可以达到厘米级甚至毫米级。

PPP定位

精密单点定位（Precise Point Positioning）可以计算出非常精确的位置，在良好条件下误差小至几厘米。PPP 是几种相对复杂的 GNSS 位置细化技术的组合，利用地面监测站对卫星轨道、钟差、载波伪距偏差等进行实时估计，并将修正数据通过互联网或卫星链路播发给接收机，最终求解出卫星和接收机之间的准确距离。PPP的主要缺点是它需要更多的处理能力，需要外部星历校正流，并且需要一些时间（最多数十分钟）才能收敛到完全精度。

双频GNSS

GPS信号工作频率分为了L1、L2、L5等几个频段，利用双频对电离层延度迟的不一样，可以最大限度地减少电离层对电磁波信号的延迟的影响，从而有效改善定位精度(预计可达3-5米)。目前部分高端手机已采用双频定位。

未来发展趋势

在全球通信生态系统中，卫星通信被认为是 5G-A和 6G 的重要组成部分。其中低轨卫星（LEO）星座具有卫星数量多、覆盖性能好等特点，有望为各个行业开辟新的可能性，并逐步受到世界卫星导航领域的关注和青睐。

基于低轨卫星进行定位有如下好处：

卫星到用户的距离较短，路径损耗较低，具有较好的接收信号增益；

卫星仰角变化快，有利于精确单点定位 (PPP) 收敛时间；

可以传输更多的数据，例如用于提高定位精度的辅助信息；

可以通过更低的建造、发射和运营成本来平衡卫星成本；

能够更快地部署新卫星或更新系统，以适应不断变化的需求和技术。

目前，3GPP在5G Rel-17版本中将非地面网络NTN纳入了规范，以支持用户设备通过高低轨卫星或高空平台实现NR通信。3GPP在Rel-17和Rel-18中的NR NTN和IoT NTN规范要求支持NTN网络的地面设备须具备GNSS能力，以预补偿时间和频率偏移。在大多数时间，GNSS可以提供了高度准确的位置和时间参考，然而GNSS系统可能存在被干扰（导致拒绝服务）和欺骗的情况。此外，如果使用改变的GNSS位置，则试图通过接入信道连接到网络的终端或一组终端也可能导致小区中所有其他用户的服务被拒绝的情况发生。

基于上述原因，在即将开始的Rel-19 NTN evolution立项中有可能进一步增强对卫星定位的支持，包括增强RACH和时间/频率同步，以确保用户设备在无GNSS可用性或精度降低的情况下的服务可用性。 可以预见的是，未来的6G将是基于LEO的卫星互联网时代，除了在全球范围内提供广域宽带通信服务外，还将支持高精定位导航等功能，并通过与地面通信系统的一体化实现基于通信和位置的万物互联。    

审核编辑：黄飞