学习笔记6--卫星定位技术(上)

本系列博客包括6个专栏，分别为：《自动驾驶技术概览》、《自动驾驶汽车平台技术基础》、《自动驾驶汽车定位技术》、《自动驾驶汽车环境感知》、《自动驾驶汽车决策与控制》、《自动驾驶系统设计及应用》。
此专栏是关于《自动驾驶汽车定位技术》书籍的笔记.

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1.卫星定位技术

1.1 卫星导航定位系统简介

1.1.1 全球4大导航卫星系统

美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GLONASS)、中国的北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System，BDS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo Satellite Navigation System，GALILEO)；

1. GPS

   GPS由3部分构成，即空间卫星部分、地面监控部分和用户接收部分；

   • 空间卫星部分(空间段)：由21颗GPS工作卫星和3颗在轨备用卫星构成完整的21+3形式的GPS卫星工作星座；这种构型满足在地球上任意地点、任意时刻均能观测到至少4颗几何关系较好的卫星用于定位；
   • 地面控制部分(地面段)：由分布在全球的一个主控站、3个注入站和若干个监测站组成；
   • 用户接收部分(用户段)：主要接收导航、定位和授时服务，这些服务广泛应用于各个领域；

2. GLONASS

   GLONASS由空间段、地面段、用户段组成；

   • 空间段：由24颗卫星组成，其中21颗为正常工作卫星，3颗备份卫星；如果GLONASS星座完整，则可以满足在地球上任意地点、任意时刻都能收到来自至少4颗卫星的信号，从而获取可靠的导航定位信息；
   • 地面段：包括系统控制中心的跟踪控制站网，这些跟踪控制站网分散在俄罗斯领土上；
   • 用户段：接收卫星导航信号，从而获取需要的位置、速度、时间信息；

3. BDS

   北斗系统由空间段、地面段、用户段组成；

   • 空间段：由5颗地球静止轨道(Geostationary Orbit，GEO)卫星和30颗非地球静止轨道(Nongeostationary Orbit，NON-GEO)卫星组成；北斗二号区域导航系统采用由5颗GEO卫星、3颗倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)卫星和4颗中地球轨道(Medium Earth Orbit，MEO)导航卫星组成的星座方案；北斗三号导航系统由5颗GEO卫星和30颗NON-GEO卫星组成全部35颗卫星；
   • GEO+MEO+IGSO星座构型是北斗卫星导航系统的完整布局，保证了在地球上任意地点、任意时刻均能接收来自4颗及以上导航卫星发射的信号，观测条件良好的地区甚至可以接收10余颗卫星的信号；
   • 地面段：包括监测站、上行注入站、主控站；

4. GALILEO

   GALILEO分为空间段、地面段、用户段；

   • 空间段：由分布在3个轨道上的30颗MEO卫星构成，其中27颗工作卫星、3颗备份卫星；
   • 地面段：由2个地面操控站，29个伽利略传感器站及5个S波段上行站和10个C波段上行站组成，传感器站及上行站均分布于全球；
   • 用户段：提供独立于其他卫星导航系统的5种基本服务；

1.1.2 区域卫星导航系统

• 日本的准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)；
• 印度的区域导航卫星系统(Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)；

1.1.3 星基增强系统

星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)由美国实施选择可用性(Selective Availability，SA)政策发展起来；SBAS主要由空间段、地面段、用户段构成；典型的增强系统：

• 美国的WAAS(Wide Area Augmentation System)；
• 俄罗斯的SDCM(System for Differential Corrections and Monitoring)；
• 日本的MSAS(Multi-functional Satellite Augementation System)；
• 欧洲的EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service)；
• 印度的GAGAN(GPS Aided Geo Augmented Navigation);

1.1.4 地基增强系统

地基增强系统(Ground-Based Augmentation Systems，GBAS)综合使用各种不同效果的导航增强技术，主要包括：精度增强技术、完好性增强技术、连续性和可用性增强技术，实现增强卫星导航服务性能的功能；

北斗地基增强系统由框架网基准站和加强密度网基准站、通信网络、数据处理系统、运营平台、数据播发系统和用户终端组成，具备在全国范围内为用户提供广域实时米级、分米级、厘米级及后处理毫米级定位精度的能力，具有作用范围广、精度高、野外单机作业等优点；

1.2 GNSS定位原理

要实现GNSS定位，需要解决两个问题：一是观测瞬间卫星的空间位置；二是观测站点和卫星之间的距离，即卫星在某坐标系中的坐标；

1.2.1 坐标系统与时间系统

• 卫星导航系统中，坐标系用于描述与研究卫星在其轨道上的运动、表达地面观测站的位置及处理定位观测数据；
• 坐标系统大概分为：地理坐标系、惯性坐标系、地球坐标系、地心坐标系、参心坐标系；
• 国内常用坐标系：1954年北京54坐标系(Beijing 54 Coordinate System，P54)、1980年国家大地坐标系(National Geodetic Coordinate System 1980，C80)、1984年世界大地坐标系统(World Geodetic System-1984 Coordinate System，WGS-1984)、2000年国家大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)；
• 时间系统主要包括：世界时、历书时、力学时、原子时、协调世界时、儒略日、卫星导航时间系统；
• GNSS采用一个独立的时间系统作为导航定位计算的依据，称为GNSS时间系统，简称GNSST；GNSST属于原子时系统，其秒长与原子时秒长相同；

1.2.2 定位原理

假设地面测得某点$P$到卫星$S_1$的距离为$r_1$，从几何学可知，$P$点所在的空间可能位置集缩到一个球面上，此球面的球心为卫星$S_1$，半径为$r_1$；再假设测得$P$点到第二颗卫星$S_2$的距离为$r_2$，同样，$P$点处于以第二颗卫星$S_2$为球心，半径为$r_2$的球面上；如果同时测得$P$点到第三颗卫星$S_3$的距离为$r_3$，即$P$点处于以第三颗卫星$S_3$为球心，半径为$r_3$的球面上，这样即可确定$P$点位置，即三个球面的交汇处。

由于GNSS采用单程测距，难以保证卫星钟与用户接收机钟的严格同步，观测站和卫星之间的距离均受两种时钟不同步的影响；卫星钟差可用导航电文中所给的有关钟差参数进行修正，接收机钟差大多难以精准确定，通常采用的优化方法是将其作为一个未知参数，与观测站坐标一并求解，即一般在一个观测站上需求解4个未知参数(3个点位坐标分量和1个钟差参数)，因此至少需要4个同步伪距观测值，即需要同时观测4颗卫星；

根据用户站的运动状态将GNSS分为静态定位和动态定位。

• 静态定位：将待定点固定不变，将接收机安置在待定点上进行大量的重复观测；
• 动态定位：指待定点处于运动状态，测定待定点在各观测时刻运动中的点位坐标，以及运动载体的状态参数，如：速度、时间和方位等；

根据定位模式分为绝对定位和相对定位。

• 绝对定位：只用一台接收机来进行定位，称为单点定位，所确定的是接收机天线在坐标系统中的绝对位置；
• 相对定位：指将两台接收机安置于两个固定不变的待定点上，或将一个点固定于已知点上，另一个点作为流动待定点，经过一段时间的同步观测，可以确定两个点之间的相对位置，从而获得高精度的位置坐标；