GNSS的詳細資料講解

　　現(xiàn)在，我們可以通過智能手機輕松確定位置和方向，如果回想古代探險家繞著圈子找路，尤其是在遠離陸地的海上時，就會感到現(xiàn)在的導(dǎo)航技術(shù)更加神奇。早期導(dǎo)航依賴于星座，然后利用六分儀測量緯度。到19世紀末期，天文鐘被廣泛用于天文觀測，以確定海上經(jīng)度。衛(wèi)星進入導(dǎo)航應(yīng)用始于1964年，即Transit系統(tǒng)（稱為NAVSAT或NNSS）?，F(xiàn)在，在20，000km高空地球軌道上運行的31顆衛(wèi)星組成了美國的全球定位系統(tǒng)（GPS），為全球任何持有GPS接收機的人提供導(dǎo)航。 GPS系統(tǒng)的基本原理是衛(wèi)星發(fā)射無線電信號，在地球或接近地球的位置接收。衛(wèi)星在任何時刻的位置是已知的，根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射無線電信號的傳輸延遲，可計算出接收機距離每顆衛(wèi)星的距離或“行程”。知道距離各個參考點（即衛(wèi)星）的距離后，即可計算得到接收機的空間坐標(biāo)。

　　GPS系統(tǒng)包括三個部分：空間（衛(wèi)星）、控制（地面站）和用戶（接收機）?？臻g部分是衛(wèi)星星座。GPS核心星座為24顆衛(wèi)星組成的基線，每顆衛(wèi)星大約12小時繞地球一周。該系統(tǒng)有6個軌道平面，每個平面4顆衛(wèi)星，以及軌道上的備用衛(wèi)星。在控制部分，地面站負責(zé)監(jiān)測衛(wèi)星，收集其在軌道上的位置、衛(wèi)星時鐘誤差以及大氣造成的信號延遲等信息。收集的信息被注入到衛(wèi)星，然后再以導(dǎo)航消息的形式發(fā)送到地面接收機。衛(wèi)星為定位提供參考點，需要知道衛(wèi)星在地球軌道上的準(zhǔn)確位置。衛(wèi)星繞地球運動的橢圓軌跡取決于地球引力。而由于月球和太陽的引力作用、太陽輻射壓力以及地球的不均勻密度等因素，存在一定的影響。在估算衛(wèi)星位置時，為了獲得足夠精度，需要準(zhǔn)確測量軌道攝動。 GNSS接收機確定三個空間坐標(biāo)和接收機時鐘偏差。三邊測量定位技術(shù)利用圓和球面的幾何學(xué)，根據(jù)測得的與每顆可見（地平面以上）軌道衛(wèi)星的距離，確定絕對和相對位置點。例如，如果計算得到與某顆衛(wèi)星的距離為20，450Km，就知道接收機一定位于以該衛(wèi)星為中心、半徑為20，450Km的球面上的某個位置。如果計算得到與第二顆衛(wèi)星的距離為19，760Km，就知道接收機也一定位于以第二顆衛(wèi)星為中心、半徑為19，760Km的球面上的某個位置。因此，由于兩個條件同時成立，接收機一定位于兩個球面的交匯處。根據(jù)幾何學(xué)，兩個球面的交點是一個圓，所以這就把接收機的位置限定在圓上的某個位置。將本例擴展到第三顆衛(wèi)星，即可將位置限定在兩個圓的交點，即兩個點。如果其中一個點是無意義的，例如地球內(nèi)部400Km，那么即可將其排除，接收機就必定位于另一個點。衛(wèi)星軌道可通過一組軌道參數(shù)表示。例如橢圓離心率就是其中一個參數(shù)。如果沒有隨機攝動，可根據(jù)軌道參數(shù)計算得到衛(wèi)星任何時刻在軌道上的位置。表示軌道數(shù)據(jù)的通用術(shù)語是星歷。NAV包含星歷，以及獲得星歷數(shù)據(jù)時的時間（epoch）。地面監(jiān)測站定期測量每個衛(wèi)星的星歷，并將該數(shù)據(jù)注入到每顆衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星在NAV中廣播其星歷數(shù)據(jù)和epoch。由于攝動的原因，軌道參數(shù)存在一定的不準(zhǔn)確性。所以NAV包括其軌道攝動的修正因子。每個衛(wèi)星發(fā)射一個唯一的偽隨機噪聲（PRN）碼，隨機碼是一個重復(fù)的序列碼，重復(fù)周期足夠長，具有與真隨機序列類似的統(tǒng)計特性。憑借PRN碼，接收機就能夠?qū)⑿盘柵c衛(wèi)星關(guān)聯(lián)起來。為簡單起見，假設(shè)接收機知道接收的是哪顆衛(wèi)星的PRN，接收機即計算本地產(chǎn)生的PRN副本與接受到的PRN的自相關(guān)函數(shù)。通過重復(fù)移位本地隨機碼副本并計算自相關(guān)，接收機最終將找到最大相關(guān)系數(shù)1.0。為了解析從衛(wèi)星接收的數(shù)據(jù)，接收機必須將本地隨機碼副本與接收到的隨機碼同步。一旦接收機知道必須將本地測距碼副本移多少位才能獲得與接收代碼的最大相關(guān)系數(shù)，也就知道了信號傳輸延遲（模1ms）。有一個“1%分辨率”經(jīng)驗法則，說明實測延時的分辨率可達到1%。GPS L1 C/A碼是最常用的民用GPS信號，所有民用接收機都能解碼，PRN碼的碼片率為1.023 Mcps。相關(guān)處理支持測量延遲精度為1%碼片，對應(yīng)于0.01/1.023x106 = 9.8 ns。在光速下，對應(yīng)的距離精度為 2.9m。 PRN碼的另一作用是擴頻調(diào)制。由于所有衛(wèi)星都同時以相同的頻率發(fā)射信號，必須有一種方法防止這些信號彼此干擾。所選的PRN碼使任意兩個碼之間的互相關(guān)系數(shù)非常低。對于兩個不同的PRN碼，兩者之間的滯后為任意值時，將這兩個PRN碼相乘，并對結(jié)果進行積分，將產(chǎn)生一個非常小的值。