2019.6.11
筆者有大半年沒有更新部落格了，最近又重新投入了工作中，是以打算總結一下這兩三年來學習的衛星導航知識，畢竟這個才是我的專業。之前慣導以及SLAM等都是自己邊學習邊總結的，最近打算寫一下衛星導航的部落格，把這幾年來的積累做一個完整的概括，也友善自己溫故知新。
目錄
GNSS概述?️
GPS（Global Position System）
BeiDou
GLONASS
Galileo
GNSS概述?️
首先了解什麼是GNSS，以及GPS，北鬥，GLONASS，Galileo。
GNSS即全球導航衛星系統（global navigation satellite system），它包括全球性的美國的GPS、中國的北鬥、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的Galileo。此外還有區域性導航系統，如日本的準天頂（QZSS），印度的IRNSS。增強系統有美國的WAAS，日本的MSAS、歐盟的EGNOS、印度的GAGAN以及尼日尼亞的NIG-GOMSAT-1等。
我們這裡主要探讨四大全球導航系統，并以GPS和北鬥為主。
衛星導航系統的組成包括三個部分：空間星座部分、地面監控部分和使用者裝置部分。空間星座部分就是那些衛星啦，四大導航系統的衛星占據着不同的軌道，衛星的數量、組成、通信等原理也不盡相同。地面監控中心接收、測量将衛星信号，确定衛星的軌道資訊 并将其發射給衛星。使用者裝置即接收機，可以是專業的多頻多系統接收機，也可以是我們手機中的GPS子產品，通過信号解算出的衛星軌道資訊等來确定使用者的位置。
GPS（Global Position System）
作為最早的衛星導航系統，GPS無疑占據了最好的軌道和資源。GPS的空間星座由21顆工作衛星和3顆備用衛星組成.
空間星座組成
•24 顆衛星
•6個平面軌道
–相對于赤道的傾角為 55º
–軌道之間的間隔為60º
•距離地區表面20,200 km
•軌道周期11 hr 58 min
•5到11顆衛星可見
而地球自轉的周期為23小時56分，這樣就保證了對于地球上的觀測點，GPS衛星每隔23小時56分就會重複一次。在地面上可見衛星的數量至少4顆，保證了基本的定位要求。
GPS的曆史
–子午儀系統（Transit System）
–NavStar (現在稱為 GPS)
•開始于 1973
•前四顆衛星發射于 1978
•GPS的第一次實際應用是在1990年的海灣戰争。
•1995年7月17号全面投入運作。
•系統耗資 $12 billion
•GPS 為民用和軍用提供全球服務
•2000年5月，宣布解除SA(Selective Availability)
GPS衛星的改進
衛星組成
•四個原子鐘
•3塊鎳鉻電池
•兩塊太陽能電池闆–電池充電/電力供應/1136 watts
•S 波段天線－控制衛星
•12 個L 波段天線元—使用者通訊
•Block IIF 衛星(第四代)
GPS現代化
| GPS IIA/IIR: | GPS IIR-M, IIF | GPS III |
| •Standard Service (~100 m) •Precise Service (~16 m) •Two Nav frequencies L1: Civil (C/A) & Precise code, Navigation L2: P-code Nav | IIR-M: Improved on all IIA capabilities and added •2nd Civil Signal on L2 •New L1 & L2 M-Code IIF: IIR-M capability and: •Add 3rd Civil Signal on L5 | •Increased power (+20dB) •Increased Accuracy •Greater Availability •Controlled Integrity •Greater Survivability |
GPS誤差來源
•衛星軌道擾動 (被稱作星曆)–太陽、月亮的引力; 太陽風
•大氣信号延遲–電離層、對流層
•原子鐘的浮動
•接收機品質–有缺陷的鐘或者内部噪聲
•多經–多經信号反射
BeiDou
北鬥衛星分布在MEO，GEO，IGSO三種軌道上。
目前北鬥衛星發射情況如下圖：
2019.5.17在西昌用長征三号丙運載火箭成功發射了第45顆北鬥導航衛星。該衛星屬于GEO軌道，是北鬥2号工程的第4顆備份衛星。
關于北鬥的更多内容可以參考www.beidou.gov.cn/
GLONASS
自1982年至1987年，共發射了27顆GLONASS試驗衛星，于1996年初投入運作使用。空間星座由均勻分布在3個MEO軌道面的24課衛星組成，軌道高度為19100km，在高緯度地區的覆寫度比GPS要好。
Galileo
截止2016年12月，已經發射了18顆工作衛星，具備了早期操作能力（EOC），并計劃在2019年具備完全操作能力（FOC）全部30顆衛星（調整為24顆工作衛星，6顆備份衛星）計劃于2020年發射完畢，MEO軌道高度為23222km。
知乎上有一篇關于衛星分布的回答寫的很好，在這裡用一下作者的圖。回答的連結是https://www.zhihu.com/question/21092045/answer/17164418
最後，給大家推薦幾本衛星導航相關的書籍
1.謝鋼《GPS原理與接收機設計》
這本書算是經典教材了，内容比較全面，适合剛剛接觸導航的學生，讀者可以根據自己的需要閱讀相應的章節。
2.（德）許國昌《GPS理論，算法與應用》
這本書注重于算法理論和公式推理，有了一定的衛星導航基礎知識和矩陣理論的基礎，再來看這本書會容易展開。書中的推導過程都非常棒，有助于對衛星導航中常用的矩陣運算過程更好的了解。
3.李征航，張小紅《衛星導航定位新技術及高精度資料處理方法》
這本書是武漢大學的兩位老師主編，也很好的反應了武漢大學在衛星導航方面的強項，即高精度資料處理。對于做RTK，PPP等定位算法等同學來說，這本書在資料處理方面還是有很好的參考價值。