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5G 和北斗，是国之重器。北斗作为卫星定位系统，目前在国内上已处于领先地位，而且曾经渗透到咱们工作和生存的方方面面。本文将简要介绍卫星定位的原理和利用状况，不便大家对北斗、卫星定位有更多的理解。
卫星定位的原理
卫星定位系统的英文是 Global Navigation Satellite System(GNSS），尽管间接翻译过去是导航卫星零碎，但它真正提供的能力是定位，能定位后，导航就变得绝对简略了。卫星定位的原理，是利用卫星播发工夫信号，当设施接管到后，能够依据信号发射工夫和本地工夫，计算出信号传输工夫，再联合光速取得卫星 - 设施间隔。
有了多颗卫星的信号，能够列出一组方程，求解 4 个未知数：设施的三维坐标 x /y/z，以及本地工夫与 GNSS 零碎的时间差。
式中的代表卫星 j 的三维坐标，这个坐标能够通过卫星星历计算取得。
星历是形容卫星运行轨道的一组参数，卫星轨道是一个椭圆，通过几个参数和工夫，能够惟一确定卫星的精确地位。
星历的获取有两种形式，一种是卫星间接播发，这种形式的益处是定位过程不依赖卫星信号以外的任何输出，即便没有网络也能够定位胜利，但问题是卫星链路带宽很小，要下载残缺星历，须要 30 秒左右的工夫，晚期的手机和一些车载设施定位过程很慢，就是因为这个起因。
另一种形式，是通过互联网播发，这种形式叫 A -GNSS，具体的传输协定叫 SUPL(Secure User Plane Location)，这种数据个别不对应用层透出，在手机上，操作系统会在底层定时申请 SUPL 数据，而后将取得的星历注入 GNSS 芯片。有了 A -GNSS，设施就能够在秒级取得定位，不须要任何期待过程，目前所有的手机都反对这种形式。A-GNSS 的服务提供商，次要是通信运营商，以及一些定位服务商，比方谷歌、千寻等。
卫星不间断的向高空播送信号，这个信号次要包含以下信息：
- 卫星编号。用于从星历中查找卫星轨道，再联合工夫戳取得以后卫星地位
- 以后工夫戳。用于取得卫星地位，另一方面计算伪距。伪距是(本地工夫 - 信号发射工夫)* 光速，之所以叫伪距，是因为本地工夫与卫星工夫不同步，所以这个间隔并不是真正的设施 - 卫星间隔。
- 星历数据。用于计算卫星地位。
像其余所有的通信技术一样，这些信息也是以报文的模式发送的，以 GPS 为例，卫星会每隔 6 秒收回一个包，而这个包会合成为数据位 -CA 码序列 - 载波波形，通过天线发射到高空。高空设施继续锁定卫星，在解算时，计算每颗卫星以后时刻的工夫戳（用最近一次收到的工夫戳加上报文偏移量），而后进行地位解算。
载波的频率是 1.5G 左右，波长 20 厘米左右，比挪动通信的波长稍长一些，所以信号的穿透性还是比拟好的（波长越长，越容易绕开障碍物），能够穿透比拟薄的墙壁或屋顶，所以在一些状况下即便无奈间接看到天空，也是能定位的。然而卫星信号是从上往下，在室内很难穿梭多层建筑。
卫星定位的另一个特点是能够解算出速度，其根据是多普勒频移原理（与交警用的测速仪原理一样）。当信号源与接管设施存在相对运动时，接管到的信号频率会发生变化。
频率变动量与相对速度存在如下公式：
其中，公式右边是频差和波长，v 是设施静止速度（矢量），vj 是卫星静止速度（矢量），1j 是卫星的投影方向，dt’ 是本地设施的频漂速度。只有测量了 4 颗星的频差，就能够解出本地设施的静止速度（与设施姿势无关）。
除了定位和测速，定位卫星还能够实现寰球授时（解算过程中取得本地钟差），这也是目前老本最低的高精度授时办法，比绝大部分设施自带的时钟都要精确。
一般而言，伪距测量值精度不如频率测量精度高（伪距定位精度在 10 米左右，而多普勒定速精度能够达到 0.2 米 / 秒以内，授时精度在 20ns），起因是伪距测量容易受到多种门路误差影响（前面会介绍），而频率测量的烦扰因素少很多。
卫星定位倒退历程
最早的卫星定位系统，是美国在 1960 年代开发的子午仪零碎，后续在 70 年代开发出了 GPS 定位系统，目前的 GPS 零碎由 24 颗卫星形成。除了 GPS，世界多国也开发出了本人的卫星定位系统，次要的有中国的北斗零碎、欧盟的伽利略零碎、俄罗斯的格洛纳兹零碎，此外日本和印度在开发区域定位系统。
除了天上的卫星，各定位系统还须要地面站对卫星的运行进行监测，包含衰弱度、轨道参数（计算实现后要注入卫星实现寰球播发）、信号品质等，另外还须要对卫星进行管制。
各种卫星定位系统应用的技术相似，大多采纳中轨道卫星（MEO，卫星高度 2 万公里），多数采纳了地球同步轨道（GEO，卫星高度 4 万公里）和地球歪斜同步轨道（IGSO）。同时，信号播发大多采纳 CDMA 技术，实现在同一个频率上传输多颗卫星的信号。为了让高空设施可能较好的接管来自几万公里外的信号，信号的数据速率都比拟低，比方 GPS L1 频段的数据传输速率只有 50 字节 /s，依据香农定理，C=B*log2(1+S/N), 在频率带宽 B 固定的状况下，随着传输速率 C 的升高，接收端在信噪比 (S/N) 比拟低的时候也能够解出正确的信号，有利于继续的锁定、跟踪卫星信号。
与其余定位系统相比，北斗的特点次要有：
- 亚太地区笼罩好。北斗零碎由 3 颗地球同步卫星、3 颗地球歪斜轨道同步卫星和 24 颗中轨道卫星形成，与 GPS 相比，北斗有 6 颗星继续笼罩亚太地区，极大晋升了亚太地区可见卫星的颗数，一方面进步定位成功率，另一方面也能晋升精度（改善了 GDOP，缩小了误差）。
- 北斗的同步卫星可用来进行通信，高空设施能够将短报文发送到卫星（只用 GEO 卫星反对短报文）上，而后转发给指标终端，这种通信是收费的，然而须要专门的天线和设施（须要将信号发射到 4 万公里远的中央，一般手机必定是不行的）。
多个卫星定位系统的信号同时被收到时，所有的卫星能够一起参加解算（每减少一个零碎，只需减少一个新的参数，即这个零碎绝对于 GPS 零碎的时间差），使得定位精度能够取得晋升。目前手机上无奈抉择参加定位的星座或者卫星，所以咱们无奈指定只用北斗或者不必 GPS 定位。
咱们比照了手机端 GNSS 定位时，应用不同零碎的占比，能够看出 GPS 和格洛纳兹因为倒退的比拟早，在手机芯片侧的渗透率比拟高，因而被应用的比例也最高，其次就是北斗。
按参加定位的卫星颗数统计，北斗排在第二位，仅次于 GPS。
因为各零碎技术相似，其定位精度也是相似的，北斗也不例外，程度定位误差个别在 10 米以内。垂直定位精度个别会差一些，次要是因为卫星都散布在设施的一侧，垂直方向上的误差难以修改。
卫星定位接收机形成
卫星定位接收机的原理图如上图所示，次要的模块包含：
- 天线
用于接管卫星信号。因为卫星信号强劲，天线当然是越大越好，然而因为接收机须要挪动，天线尺寸受到制约。天线的次要作用是放大信号和克制多径，次要的类型有以下几种
右边的是比拟常见的天线，外部是陶瓷天线，内部带磁铁，能够吸附在车顶；两头的是业余天线，旁边带扼流圈，能够克制来自周围和高空反射的信号，只接管从天顶方向来的信号，这种天线的成果最好，个别用于业余钻研和高精测绘；右侧是手机天线，长度只有几厘米，成果最差。
卫星信号的电磁波是圆极化的（流传时在垂直于流传方向的一个立体上稳定），因而，采纳圆极化天线（如立体的陶瓷天线）接管成果最好。但手机上天线尺寸太小，只能采纳线极化天线，信号捕捉能力大幅降落，再加上不足信号屏蔽（扼流圈），极易受到多径效应以及其余信号烦扰。
- 射频前端
这个模块次要是将原始信号进行下变频、功率放大以及滤波，提取真正有用的信号，便于解码解决。
- 基带解决
这个模块是对卫星信号进行解码，取得卫星报文。每颗卫星的信号须要一个独自的通道进行解决，如果有 100 颗卫星，2 个频段，那可能须要 200 个通道能力无效解决这些信息。通道数越多，能够取得的卫星观测值也就越丰盛，定位精度也就越高。
解码的过程，分为搜寻 - 锁定 - 跟踪三步，首先生成每颗卫星的伪码，而后与信号进行自相干操作，相关度达到肯定水平就能够锁定卫星，而后进行码锁定、位同步、帧同步，最终提取出报文。这个过程要继续进行，因为多普勒效应，信号的频率会一直变动，所以本地生成的伪码也要一直变换频率去适配卫星的变动。一旦失去锁定，就会失落信号，也就无奈定位了。
- PVT 解算
PVT 包含 Position，Velocity 和 Time。这一步是真正进行定位的步骤，是利用基带解码取得的报文，提取出工夫戳、星历等信息，代入公式进行计算，而后将计算结果输入给应用程序。
定位误差起源与精度晋升
卫星定位尽管曾经很精确了，然而在某些场景下，还是无奈满足需要，比方，打车的时候定位点离车辆有肯定间隔、步导的时候难以辨别方向甚至会定位到马路对面、静止的时候定位点总数飘来飘去、室内的时候定位点乱飘。这须要从卫星信号的发射、传输、接管过程来解释。
卫星信号从发射到被设施接管，须要通过大气层，其中，大气电离层有数千公里厚，这部分大气十分粘稠，然而存在大量被电离的电子，这部分电子会让电磁波变慢一点，从而产生提早。在对流层，也会产生肯定的提早。在地表左近，因为各种修建、山体、水面的影响，卫星信号可能被反射或折射（多径效应），产生提早。
在卫星信号发射侧和接管侧，也有很多零碎相干的误差，比方时钟偏差、解决提早等，这些提早加上传输提早，使得卫星信号的传输工夫，并不是精确的等于物理间隔 / 光速，另一方面，卫星的星历也有误差，卫星地位和实在地位存在偏差，最终造成了定位后果产生偏差。
要晋升定位精度，须要想方法打消这些误差，次要有以下几种计划。
双频 GNSS
不同频率的电磁波通过电离层时会有不同的提早，人们发现，对两个或多个频率的观测值进行线性组合，能够打消电离层误差，从而能晋升精度。这就是双频 GNSS 定位的原理。小米 8 是业界第一款反对双频 GNSS 定位的手机，后续各大厂商均进行了跟进，一些高端手机均采纳双频定位。打消电离层误差后，定位精度能够晋升到 5 米以内。
地基 / 星基加强
星历误差、卫星时钟误差、甚至是电离层和对流层误差都是能够观测或建模的，一旦计算出了实时的误差值，就能够通过一个独自的通道进行播发，接管设施在定位过程中应用这些修改项，就能够晋升定位精度。播发的通道个别有两种，一种是间接通过卫星播发，称为 SBAS(Satellite-Based Augmentation System)，益处是笼罩广，但设施须要减少额定的信号接管通道；另一种是地基加强，比方通过互联网，这须要设施具备联网能力。
这些加强形式对于精度晋升是无限的，还是有很多误差项无奈打消，比方电离层误差。
高精定位 - 差分定位(RTK)
RTK 是 Real – time kinematic 的缩写，是一种差分定位。其原理是利用一个参考站提供基准观测值，而后用设施的观测值与基准站的观测值进行差分，差分后能够消掉星历误差、卫星钟差、电离层误差，再进行星间差分后能够进一步打消掉设施的钟差，最终能够算出设施绝对基准站的绝对坐标，如果基准站地位已知，就能够实现精确的相对坐标，精度能够达到厘米级甚至毫米级。
RTK 能晋升精度的另一个起因是引入了载波相位观测，相比伪距观测值，载波相位观测值的误差更小。
应用 RTK，须要在左近 20km 内有参考站（间隔太远，电离层误差不一样，做差分无奈齐全打消误差），同时须要继续一直的取得参考站的观测数据（个别通过互联网传输，应用 RTCM 协定），因而绝对一般的定位，RTK 定位老本较高，但对于一些对精度要求很高的场景，比方车道级定位、主动驾驶等，是必不可少的。
RTK 服务个别由业余服务商提供，如千寻、六分，这些服务商在全国范畴内部署了数千个基准站，继续对订阅用户播发数据。
高精定位 - 精细单点定位(PPP)
RTK 须要布设密集的参考站，有没有方法不依赖参考站？PPP(precise point positioning)就是一种办法，它的原理是对每一种误差进行精确建模，最终求解出卫星和设施之间的精确间隔。为了确定精确的误差，PPP 定位时须要一直的迭代外部参数，而且，一些卫星的误差只有当卫星地位变动后能力体现进去，所以 PPP 须要比拟长的收敛工夫，个别须要 30 分钟能力收敛到现实的精度，如何更快的收敛是目前学术界的一个钻研热点。
组合定位
卫星定位的一个最大问题，就是失落卫星信号后如何定位，这就须要其余定位形式来补充。组合定位是利用卫星信号和其余定位技术，比方惯性导航，来实现定位，二者相互配合。最简略的一个例子，就是卫星定位是有一个最高频率的，个别最多是 10Hz，在两次定位之间，可用惯导来进行地位推算，取得更高频率的地位输入。而组合导航最重要的作用，是晋升精度，比方，利用卡尔曼滤波办法，用惯导计算推算地位，用卫星定位提供观测量，对推算地位进行修改，这能够让定位后果更加平滑，而且能够对异样的卫星观测量进行过滤或降权。
手机上的卫星定位
在挪动互联网呈现以前，卫星定位终端是一个很业余的畛域，只有测绘、军事等畛域会利用这种技术，定位须要应用专用的接收机，比方 Trimble、ublox 等。随着智能手机将卫星定位芯片集成，卫星定位的利用失去爆发式增长，终端数量一下子晋升到几十亿量级，也产生了海量的地位数据。
手机上的卫星定位与业余接收机，还是存在比拟大的差别，次要体现在：
- 手机受限于尺寸，天线比拟小，对原始信号的捕捉、锁定、去噪能力都比拟差，造成接管到的信号品质人造不如业余接收机。
- 手机上芯片老本比拟低，反对的通道数比拟无限，一次定位可能解码的卫星数量和零碎数量都比拟少，次要是单频，多数是双频，没有三频。
- 手机上对功耗、性能开销的要求比拟高，不能破费大量资源在定位上，解算算法的复杂度比拟低，成果也比拟无限，精度比拟差。
苹果手机
苹果手机的定位能力是齐全关闭的，对外只透出定位后果，内部根本无奈拿到任何定位相干的原始观测量，比方卫星数量、类型等。好消息是，iPhone12 终于开始反对北斗了。从苹果的 API 上，外界甚至无奈辨别定位后果到底是来自卫星定位还是网络定位（目前仅能通过速度的符号来判断，但苹果对此没有任何承诺）。所以，基于苹果手机，咱们根本无奈做出优化，苹果手机上高德地图的定位点都是 iOS 底层间接提供的。
安卓手机
安卓手机比苹果手机凋谢的多，在定位能力方面提供了一系列 API：
- 能够独自获取卫星定位后果或网络定位后果，也能够同时进行两种定位。
- 提供了 NMEA 格局（一种卫星定位后果的规范化表白）的后果数据，能够获取每颗卫星的 ID、类型、信号强度，以及 xDOP 等细粒度的误差形容。
- 提供了 GnssStatus 来形容每颗卫星的状态，内容比 NMEA 更全面。
- 提供了 GnssMeasurement 来形容原始观测量，包含伪距测量值、载波相位测量值、卫星锁定状态等。
- 提供了 GnssClock 形容本地时钟的状态。
- 提供了 GnssNavigation 透出最原始的未解码报文。
有了这些信息，通过一些 App 就能够实时看到以后的卫星状态，例如 Androits gps test, GPStest 等
另外，咱们还能够进行卫星定位的软解算，对卫星定位后果进行修改，甚至代替。咱们次要尝试解决两类问题：
- 定位不准：对卫星定位后果进行品质判断，辨认其中的大误差点，优化精度，或者优化精度半径，使上游应用定位点的时候，可能差异化的解决。
定位不准的起因，次要是来自卫星信号中含有误差，而影响最重大，也是最难克制的，就是多径造成的影响。
另一类定位不准的问题，是零碎将其余定位后果伪造为卫星定位后果。比方，将网络点假冒为卫星定位点。
- 无奈定位：零碎不输入定位后果时，尝试进行软件解算。
无奈定位最次要的起因，是信号接管条件不好，比方室内遮挡、高架遮挡、高楼遮挡。在宽阔地带无奈定位，个别是设施 Bug，重启设施后个别都能解决。
卫星定位将来瞻望
随着移动用户量持续增长，以及物联网的大范畴遍及，卫星定位技术还会继续疾速倒退。
在卫星侧，将呈现低轨定位卫星（距高空几百公里）。传统上的定位卫星因为要笼罩较大的天文范畴，高度个别都比拟高，运行在中轨轨道上。随着火箭发射技术的反动，卫星发射老本急剧下降，向太空发射大批量低成本卫星的计划成为可能。比方 spacex 曾经发射了上千颗“星链”卫星。
低轨卫星进行定位有几个益处：
- 间隔近，信号更强，设施侧接管到的卫星信号更好。
- 能够传输更多的数据，比方各种修改数据。
- 位于电离层底部，电离层误差小。
- 卫星仰角变动快，PPP 定位能够更快收敛。
在设施侧，高精定位将大范畴遍及，华为 P40 是首个反对 RTK 的智能手机，能够做到 0.5 米的精度。高通也行将公布反对 RTK 的挪动芯片，在 2021 年上半年，更多反对 RTK 的智能手机将会上市。
在利用侧，高精定位的利用场景会不断涌现，当初的一些典型利用场景包含：
- 传统测绘
- 精准农业，机械化自动化种植和收割
- 车道级导航和主动驾驶
- 共享单车的精准停放
- 无人机导航
参考资料
北斗官方网站 http://www.beidou.gov.cn/
GPS 官方网站 https://www.gps.gov/
伽利略官方网站 https://www.gsa.europa.eu/