卫星导航系统

全球导航卫星系统 (GNSS) 是一种通过接收来自导航卫星和伪卫星的信号在地球和空中进行定位和导航的系统。

GNSS 卫星星座的卫星通过无线电代码传达它们的确切位置和时间。 要确定位置，接收器必须同时接收来自至少四颗卫星的信号。 伪信号传播时间在接收设备中测量（从卫星到接收天线，包括接收器的时钟误差），当前位置（包括高度）和时钟误差由此确定。

一个由 24 到 30 颗卫星组成的星座在大约 25,000 公里的轨道上使用。 这是为了确保接收器始终可以同时接收至少四颗卫星的信号（GPS 使用 6 到 12 颗卫星），即使地平线的视野并不完全清晰。

固定接收站可以提高定位精度。 它们向用户传输校正信号 (DGPS)。 SAPOS 提供三种不同的信号服务，可实现小于 1 厘米的精度。

GPS 中使用的技术的详细信息也可以在文章 GPS 技术和双曲线导航中找到； 上面提到的其他系统在不同程度上与它不同。

卫星位置在不断变化（在 GPS 中以近 3.9 公里/秒的速度变化），卫星与地球上某个点的距离也随之变化。 但是，用户可以根据卫星信号中包含的轨道数据（星历表）计算任何时间点的卫星位置。 这些轨道数据（GPS 和伽利略是开普勒轨道元素，GLONASS 是坐标、速度和加速度矢量）由地面站定期比较（GPS 大约每两小时一次）。

从卫星到观察者的距离取决于信号传播时间。 每颗卫星持续广播其各自的代码、当前时间及其各自的轨道数据。 对于 GPS 和 GLONASS，此序列每毫秒重复一次。 接收器使用锁相环来处理由传播时间和多普勒效应引起的时间和频率偏移。

使用卫星和接收器中精确同步的时钟，以这种方式测量的时移将对应于卫星信号的运行时间。 将传输时间乘以信号速度（大约光速）得出卫星到接收器的距离。

对于三米的路线精度，必须以十纳秒的精度确定传播时间。 然而，不是为接收器配备相应的高精度原子钟，而是在计算位置时确定并考虑接收器时钟中的误差。 需要四颗卫星来确定四个未知数（三个空间坐标和接收器时钟误差）。 这导致具有四个未知数的四个方程。

确定的坐标与相应导航系统的坐标系有关； 对于 GPS，例如，WGS84。 确定的时间也由导航系统定义； 所以例如 例如，GPS 时间与世界标准时间 UTC 有几秒的偏差，因为在 GPS 系统时间中不考虑闰秒。 自 1980 年以来大约每两年添加一次，因此目前（截至 2017 年 1 月）偏差为 18 秒。

地理经度、地理纬度和定义的参考椭球上方的高度可以从空间坐标计算. 然而，需要注意的是，所使用的坐标系可能会偏离其他常见的坐标系，因此所确定的位置可能会与许多地图（尤其是较旧的地图）中的位置偏离高达数百米。 GNSS 确定的高度和“海平面以上”的高度可能与实际值（大地水准面）有几米的偏差。

与三角测量一样，卫星跨越的四面体的体积应尽可能大； 否则可实现的位置精度（精度稀释，DOP）会降低。 如果卫星与接收器在同一水平面上，即从观察者的角度来看它们似乎在一条线上，则无法确定位置。 然而，这样的星座实际上从未发生过。

大气改变了信号传播时间。 与对流层不同，电离层的影响取决于频率。 如果接收器评估卫星以不同频率发送的信号（双频接收器），则可以部分校正。 最迟自 2018 年推出小米 8 智能手机以来，终端用户还可以使用双频 GNSS 接收器。

电离层中自由电子数量的变化范围会导致高达 30 m 的空间误差。为了将其降低到 10 m 以下，GPS 卫星传输了六个描述电离层当前状态的参数。 但是，不能以这种方式校正短期闪烁。

未校正测量值的位置精度（用户范围误差，URE）：

与卫星相关的误差，即卫星位置和时间测量，英文称为空间信号-用户距离误差（SIS-URE），路径传播误差称为用户等效距离误差（UERE）。

当可以跟踪超过四颗卫星时，精度会提高。 这种测量被称为“超定定位”。 通过与参考测量值的比较，误差随后可以减少到几厘米。 这种校正称为差分全球导航卫星系统 (DGNSS)。 使用差分 GPS (DGPS)，如果参考数据在线可用，它会实时发生。

如果您还评估卫星信号的相位，也可以实现几厘米的动态相对精度。

GNSS 卫星不仅发送无线电信号，还发送发射器的确切位置。 信号源的定位以及与已知位置的比较提供了有关传播介质性质的信息。

使用无线电掩星，可以使用 GNSS 信号对地球大气进行观测，并使用 GNSS-R 对水面的反射率进行观测。