GNSS 多星定位原理及校正方式对比
No.1
前言
具有全球导航定位能力的卫星导航定位系统称为全球卫星导航系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，简称为GNSS。泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。使用多星座 GNSS 接收器的优势在于：更好地提供定位、导航、定时 (PNT) 信号，提高准确性、完整性并改善应用的稳健性。
但是，多星座接收器开发是一项复杂、耗时的工作，其中包括：优化L波段天线；设计射频 (RF) 前端；整合基带信号处理算法以获取、跟踪和应用各种 PNT 信号的修正；对应用的处理软件进行编码，以便从基带的每个通道提取 PNT 数据并使用这些信息实现系统功能。设计者还必须选择合适的天线并将其正确放置。
设计者可以转向预制型 GNSS 模块和开发环境，快速有效地将定位功能集成到系统中。这种 GNSS 模块包括射频前端、基带处理和嵌入式固件，有些 GNSS 模块还包括天线。以便加快应用处理软件的开发。
No.2
什么是 GNSS 和 PNT？
GNSS 和 PNT 是密切相关的概念。GNSS 卫星是 PNT 信号的最常见来源。GNSS 卫星本质上是高度精确的同步时钟，不断广播其PNT 信息。GNSS 模块接收来自特定卫星的 PNT 信号并计算其与该卫星的距离。当接收器知道与至少四颗卫星的距离时，就可以估计其本身的位置。然而，位置估计的准确性受到各种误差源的影响，具体包括：
•GNSS卫星中计时电路的时钟漂移
•预测 GNSS 卫星准确轨道位置的 误差
•整个卫星设备相对于其他卫星的一般性能漂移，也就是所谓的卫星偏移
•信号在通过电离层和对流层时发生失真和延迟。
•多路径反射和接收器中的可变性能和漂移
目前，设计者可以采用各种不同技术校正基于卫星和大气的 GNSS 误差。
No.3
提高 GNSS 性能
把源自 GNSS 接收器的误差影响降至最低的最佳方法是：使用适合特定应用的成本和尺寸限制的最高性能接收器。但是，即使是高性能的接收器也不是完美的；在很大程度上其性能还可提升。了解这些校正方法非常重要，因为这些方法会带来不同的性能，而且有些 GNSS 模块不能使用所有的校正方法。
有几种 GNSS 校正方法采用了地面参考基站（图 1）。实时运动学 (RTK) 和精密单点定位 (PPP) 是采用地面参考基站对 GNSS 进行校正的最成熟方法。近来又出现了 RTK-PPP 混合方法。
图 1：GNSS 用户接收器可以从参考网络中获取大气、时钟和轨道误差信息，以提高定位精度。（图片来源：Septentrio）
RTK 依靠单一基站或本地参考网络获得校正数据，可以消除大部分的 GNSS 误差。RTK 假定基站和接收器的位置很近——最多相距 40 公里或 25 英里，因此基站和接收器遇到的误差相同。后处理运动学 (PPK) 是 RTK 的一个变种技术，被广泛用于测绘，以获得高精度定位数据或厘米级精度。
只有轨道和卫星时钟误差被用来进行 PPP 校正。这些误差是卫星特有的误差，与用户位置无关，这就限制了所需参考基站的数量。然而，PPP 没有考虑与大气有关的误差，因此相对于 RTK 来说精度较低。此外，PPP 校正的初始化时间可能达到 20 分钟左右。较长的初始化时间和较低的精度使 PPP 技术在许多应用中无法使用。
对于那些要求接近 RTK 精度和快速初始化时间的应用来说，通常采用最新的 GNSS 校正服务，即 RTK-PPP（有时称为状态空间表示法 (SSR) ）。这种技术采用一个参考网络，其基站间隔约为 100 km（65 英里），收集 GNSS 数据并计算卫星和大气的综合校正值。参考网络使用互联网、卫星或移动电话网络向用户发送校正数据。使用 RTK-PPP 的 GNSS 接收器能够达到亚厘米级精度。在选择使用 RTK、PPP 和 RTK-PPP 校正方法时会涉及到一系列的设计权衡，开发者需要进行审核，以选出适合具体应用情况的最佳解决方案。（图 2）。
图 2：三种常见 GNSS 校正方法的优缺点。
卫星增强系统 (SBAS) 正开始在区域范围内得以运用，以取代 RTK、PPP 和 RTK-PPP 的地面基站校正方法。SBAS 仍然使用地面站来测量 GNSS 误差，但这些地面站分布在各个洲。测量的误差在某个中心位置进行处理，在那里计算出校正值并传送到所覆盖地区的地球同步卫星。校正数据从卫星上播出，作为原始 GNSS 数据的叠加或增加。
GNSS 的精度取决于卫星测量和相关校正值的可用性和精度。高性能 GNSS 接收器在多个频率下跟踪 GNSS 信号，并使用多个 GNSS 星座和各种校正方法来提供所需的精度和恢复能力。由此产生的冗余可使性能稳定，即使有些卫星测量和数据遇到干扰时也是如此。设计者可以从各种 GNSS 精度和冗余能力中进行选择（图 3）。
图 3：GNSS 精度等级与相应的校正方法和选定的应用。
No.4
GNSS 模块：集成天线与外部天线
由于多星座定位的复杂性，采用供应商提供的各种模块有助于加快产品上市，降低成本并确保性能。也就是说，设计者需要考虑使用内部天线还是选择位于 GNSS 模块外部的天线。对于那些需要优先考虑上市时间和成本的应用来说，集成天线可能是更好的选择，因为这种天线所涉及的工程量要小得多。对于需要 FCC 或 CE 认证的应用，使用带集成天线的模块也能加快认证过程。然而，这样会增加解决方案的尺寸，而且集成天线解决方案的灵活性有限。
外部天线为设计者提供了更多的性能和布局选择。设计者可选择大型高性能天线或者较小的低性能天线。此外，相对于 GNSS 模块的位置，天线的放置更加灵活，这将进一步提高设计灵活性。由于放置灵活，因此外部天线可确保 GNSS 可靠工作。然而，天线放置和连接布线既复杂又耗时，需要特殊的专业知识，这可能会增加成本并延缓上市时间。
No.5
总结
实现准确、可靠定位功能的最好方法是使用多个星座及相关的校正技术支持。这些都是复杂的系统，但设计者可以求助于预制型 GNSS 模块、相关的开发套件和环境，快速有效地比较各种选项并实施基于位置的功能和服务。
No.6
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