據央視新聞消息，近日我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，成功發射北斗系統第54顆導航衛星。衛星順利進入預定軌道，后續將進行變軌、在軌測試、試驗評估，適時入網提供服務。今年6月份，將按計劃發射最后一顆地球靜止軌道衛星。屆時，北斗三號全球星座部署將全面完成。這意味著距北斗全球組網 “大棋局”的部署完成僅“一步之遙”。北斗人在自主創新、團結協作的努力下創造了“中國速度”。

目前，我們已很難想象沒有衛星定位的生活，無論是早上開車出門的定位導航，還是開車途中實時接收到的路況信息，甚至是危險發生時快速鎖定救援位置……都需要衛星定位系統實時的幫我們確定位置，測定行進速度，鎖定經緯度海拔等。那么，千里之外的衛星是怎么做到定位如此精準？正好上次講過網絡RTK技術后，后臺也有很多小伙伴留言，想了解一下衛星定位的原理……

1.GNSS是什么

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、中國的北斗、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。

通常衛星導航系統的組成包括三個部分：空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分。

空間星座部分指的就是那些衛星，四大導航系統的衛星占據著不同的軌道，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、測量將衛星信號，確定衛星的軌道信息并將其發射給衛星，并對衛星進行監測。

用戶設備即接收機，可以是專業的多頻多系統接收機，也可以是我們手機中的衛星信號接收模塊，通過信號解算出的衛星軌道信息等來確定用戶的位置。

2.認識四大衛星系統

我們這里主要探討四大全球導航系統，即美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的Galileo：

GPS（Global Position System）

GPS是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位功能的新一代衛星導航與定位系統。GPS的空間星座由21顆工作衛星和3顆備用衛星組成。

在這里多說一句，其實在中國的北斗衛星系統誕生以前，GPS幾乎可以說是衛星定位系統的代名詞，而GPS真正的“聲名鵲起”則是上世紀90年代的海灣戰爭期間，因為在海灣戰爭中多國部隊對伊拉克各個地區進行了高密度的空襲，而恰恰是GPS為多國的攻擊部隊提供了極為[敏感詞]的導航，尤其是為美軍“戰斧”巡航導彈的[敏感詞]打擊立下了汗馬功勞，讓這一型導彈名聲大噪；GPS也提高了美軍如F-117隱身戰斗機、F-16戰斗機的攻擊精度，為美軍地面行動清除了不少障礙。

GLONASS

GLONASS（格洛納斯系統）最早研發于上世紀70年代的蘇聯時期，在美蘇爭霸時期的格洛納斯其實是跟美國的GPS有著相同的訴求，但由于各種因素，還是與GPS有著一定的差距（如儀器精度，電子原件水平），使得GLONASS系統的效果并不是很理想。自1982年至1987年，共發射了27顆GLONASS試驗衛星，同時由于當時衛星的壽命都比較短，需要不斷地補發衛星才能維持系統的正常運行，而蘇聯的解體使得GLONASS長期處于降效運行。直到1993年，俄羅斯政府也意識到了其重要性，投入大量的人力和資金使得GLONASS得以重新發展，于1996年初投入運行使用。空間星座由均勻分布在3個MEO軌道面的24顆衛星組成，軌道高度為19100km，在高緯度地區的覆蓋度比GPS要好。于2007年開始運營。當時只開放俄羅斯境內衛星定位及導航服務，到2009年，其服務范圍已經拓展到全球，該系統主要服務內容包括確定陸地、海上及空中目標的坐標及運動速度信息等。

GALILEO

而GALILEO（伽利略）則是由歐盟研制和建立的全球衛星導航定位系統，該系統由軌道高度為23616km的30顆衛星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛星軌道高度約2.4萬公里，位于3個傾角為56度的軌道平面內。

伽利略系統也是歐洲不甘于完全依賴美國的產物，但可能由于參與者太多，該計劃依然進展緩慢。在這里還有一段故事與我們國家有關，早在2002年，歐洲多國決定聯合自主推出伽利略衛星定位系統，當時的中國在導航領域還處于一并空白，也共同參與研發伽利略衛星導航系統，然而在幾年之后，在中國已經投入20億元經費的情況下，卻被從伽利略項目中踢了出來，除了與美國的阻擾有關，其實，歐洲某些國家也不希望中國借此機會獲取導航領域核心技術。不過我國現在擁有了自己的“北斗”之后，反倒是伽利略系統出現了問題，就在去年7月，伽利略系統出現了全球癱瘓，據悉是因為歐洲航天局缺乏組織能力，相關科研人員不肯加班，才導致如此嚴重的后果，想起來真是有些荒誕了。

北斗

北斗是中國自行研制的全球衛星導航系統，由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經初步具備區域導航、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。北斗三號空間段計劃由35顆衛星組成，包括5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。35顆衛星在離地面2萬多千米的高空上，以固定的周期環繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。

綜上所述，在定位精度上，全球四大衛星導航系統均有實現民用10米精度的能力。他們各有優勢，美國的GPS和俄羅斯的GLONASS應用范圍和領域非常廣，也是目前商用普及率[敏感詞]的兩大定位系統，這與它們的提前布局、重視程度、巨額投入等密不可分。中國的北斗衛星導航系統僅差一顆衛星就完成全部組網，在普及的道路上，未來仍有很大的上升空間。

圖為：谷歌地圖上看到的所有衛星分布

衛星定位系統主要由三部分組成：空間部分、控制部分、用戶設備部分。

空間部分，包括工作衛星和備用衛星。這些衛星在空中連續發送帶有時間和位置信息的無線電信號，供衛星接收機接收。

控制部分，包括主控站、注入站和監控站。監測站連續接收衛星信號，不斷積累數據；主控站根據監控站發來的數據進行系統運行管理與控制，編寫導航電文；注入站衛星發送導航電文，對衛星進行控制管理。

用戶部分，即衛星接收機。包括兼容衛星導航系統的芯片、模塊、天線等基礎產品，以及終端設備、應用系統與應用服務等

一次完整的定位工作，需要這三部分共同協作完成。[敏感詞]我們再說說具體如何實現：

定位，其實就是利用至少4顆衛星去解決位置，時間，速度這三個參數，其中最常用的是位置。 其實這個原理可以復雜也可以簡單。簡單的來說就是用三邊測量（trilateration）：在二維平面，一個固定點用已知的半徑長確定一個圓，兩個固定點用已知的半徑確定兩個點，用戶就在其中一個點上。

這個原理映射到三維，兩個球相交確定一個圓，三個球相交確定兩個點。用戶必然處在兩個點其中一個上，遠離地球的點舍棄，另一個點就是你的位置了。

但是實際上真正應用比這個復雜，首先就要想，原理上三顆衛星可以解決的問題為什么一定要4顆。這是因為實際上參與導航位置計算的過程中，還有個時間變量參數，因為衛星導航的距離測量實際上是以時間度量來實現的，當每秒鐘時間誤差為百萬分之一時，所帶來的位置誤差會達到300m以上，而人們所用的衛星導航接收機的時鐘是用石英晶體振蕩器來實現的，必須用衛星的原子時鐘作為同步標準才能確保定位精度，故需要第四顆星來參與定位，實際上這第四顆衛星是作為時間參考標準加以應用。

4厘米級高精度定位如何實現

前面我們提到，只要接受到來自4顆衛星的位置信息，就能精準確定地面上任何物體的坐標了。實際上這只是定位原理中的其中一種，通常稱為單點定位，或[敏感詞]定位。

但實際上，衛星工作過程中會受到多因素的干擾，比如衛星信號穿過地球對流層、電離層時會發生折射和延遲，射到建筑上時又會發生反射，這一系列的影響都會導致信號傳播時間計算有誤，繼而帶來距離計算產生幾十米甚至超百米的誤差。

這時候，我們就需要用到精度更高的差分定位，也就是相對定位。建設地基增強站正是消除衛星定位誤差，將定位精度提高至米級甚至厘米級的有效手段。首先，我們需要在地面建立[敏感詞]坐標（X、Y、Z）已知的地基增強站，然后由導航衛星對基站進行實時的定位，得到基站實時的位置坐標，因受前面提到的對流層、電離層、多路徑效應等多因素干擾，兩者之間必然存在綜合定位誤差，通過計算兩者之間的差值，就能把定位誤差值鎖定。

一般以基站為中心的20至40公里半徑范圍內，對流層、電離層運動等對衛星定位影響基本一致，所以只要基站把我們計算出來的綜合定位誤差實時播發給該范圍內終端，它們就可以在衛星定位時，把定位誤差一并計算進去，從而實現亞米級甚至厘米級的高精度定位。我們之前介紹過的網絡RTK，就是目前業內用于計算這個誤差的主流方法之一。