全球导航卫星系统
| 英文 | Global Navigation Satellite System |
|---|---|
| 别称 | 全球卫星导航系统 |
| 核心功能 | 提供全球范围内的定位、导航和授时 (PNT) 服务 |
| 主要组成 | 空间段、地面段、用户段 |
全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, 简称 GNSS）是覆盖全球的自主空间位置参照系统，它利用人造卫星网络，为地面或近地空间的接收机提供高精度的地理位置、速度和时间信息。
GNSS 技术是空间大地测量技术的核心组成部分，彻底改变了传统大地测量和导航的方式。
主要的全球导航卫星系统
目前，全球有四大核心GNSS供应商：
- GPS（Global Positioning System）：由美国运营，是世界上第一个也是目前应用最广泛的系统。
- GLONASS（GLObal NAvigation Satellite System）：由俄罗斯运营。
- Galileo（伽利略定位系统）：由欧盟主导建设，是民用控制的系统。
- BeiDou（北斗卫星导航系统，简称BDS）：由中国建设和运营，提供全球服务。
此外，还有一些区域性系统，如日本的QZSS和印度的IRNSS/NavIC。
系统组成
一个完整的GNSS系统通常由三个基本部分组成：
空间段：卫星星座
由多颗运行在特定轨道上的导航卫星组成。这些卫星持续不断地向地面广播自身的精确轨道位置、时间和健康状态等信息。卫星星座的设计旨在确保在地球上任何地点、任何时间都能至少观测到四颗卫星。
地面段：监控系统
由全球分布的地面监控站、主控站和注入站组成。其主要任务是：
- 跟踪和监测所有在轨卫星的运行状态。
- 计算卫星的精确轨道（星历）和卫星钟的钟差。
- 将计算好的导航电文上传给卫星，再由卫星转发给用户。
用户段：接收机
由GNSS接收机（如手持GPS设备、车载导航、智能手机等）组成。接收机通过接收多颗卫星的信号，测量信号从卫星到接收机的传播时间，并结合卫星在广播信号瞬间的位置，计算出接收机自身的三维坐标和精确时间。
定位原理
GNSS定位的基本原理是空间后方交会。接收机通过测量至少四颗卫星的信号，可以解算出自身的四个基本参数：三维坐标（X, Y, Z）和接收机钟差（Δt）。
- 接收机测量到一颗卫星的距离。这个距离是通过测量信号从卫星传播到接收机的时间乘以光速得到的，但因为接收机时钟存在误差，所以被称为“伪距”。
- 仅有一颗卫星时，接收机位于以该卫星为球心、以测定伪距为半径的球面上。
- 接收到第二颗和第三颗卫星信号后，接收机的位置被限定在三个球面的交点上。
- 理论上三颗卫星即可确定三维位置，但为了消除接收机时钟与卫星时钟之间的误差（钟差），必须引入第四颗卫星进行观测，建立四个方程求解四个未知数（X, Y, Z, Δt）。
对于高精度应用，还会利用载波相位观测值进行差分定位，例如实时动态 (RTK)技术。
应用
GNSS技术已渗透到各个领域，主要应用包括：
- 大地测量与测绘：建立和维护高精度的国家和全球坐标框架，进行地壳形变监测、工程测量和地形测绘。
- 交通与导航：为汽车、船舶、飞机等提供实时位置和路线规划，是现代智能交通系统的基础。
- 精细农业：指导自动化农机进行精确播种、施肥和收割，提高资源利用率。
- 地球科学：通过监测地面站的微小位移研究板块运动、地震和火山活动。利用GNSS信号穿过大气层时的延迟，还可以反演大气中的水汽含量，用于天气预报。
- 授时与同步：为电力网、通信网络和金融交易系统提供纳秒级的时间同步基准。
- 国防与安全：为军事行动、武器制导和人员定位提供关键支持。