衛(wèi)星導(dǎo)航或衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是使用衛(wèi)星提供自主地理定位的系統(tǒng)。覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)稱為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）。

截至2023年，有四個全球系統(tǒng)投入運行：美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、?中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐盟的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Galileo）。投入使用的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括日本的準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS），這是一種基于 GPS衛(wèi)星的增強系統(tǒng)，旨在提高 GPS 的精度，計劃于 2023 年實現(xiàn)獨立于 GPS 的衛(wèi)星導(dǎo)航，以及印度的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（NavIC）。上述導(dǎo)航系統(tǒng)都向國際社會提供了免費使用的服務(wù)。

GNSS系統(tǒng)比較

GNSS的落地信號功率在-125 dBm左右，不同國家的衛(wèi)星可能有所不同。

定位原理

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的定位原理是基于三角測量和衛(wèi)星信號傳輸?shù)脑怼Ｒ訥PS系統(tǒng)為例，基本的GPS服務(wù)為用戶提供大約7.0米的精度（95%的時間，地球表面），接收器通過來自至少四顆衛(wèi)星的信號組合來確定它們的位置和時間。GPS衛(wèi)星攜帶原子鐘，可以提供極其精確的時間，時間信息被放置在衛(wèi)星廣播的代碼中，使得接收器可以連續(xù)地確定信號被廣播的時間。

該信號還包含接收器用來計算衛(wèi)星位置和進行精確定位所需的其他調(diào)整的數(shù)據(jù)。接收器使用信號接收時間和廣播時間之間的時間差來計算從接收器到衛(wèi)星的距離。有了關(guān)于三顆衛(wèi)星的距離和發(fā)送信號時衛(wèi)星的位置信息，接收器可以計算自己的三維位置。為了根據(jù)這三個信號來計算距離，還需要與GPS同步的原子鐘，但可以通過對第四顆衛(wèi)星進行測量來獲得接收機的時間信息。因此，接收器使用四顆衛(wèi)星來計算緯度、經(jīng)度、高度和時間。

如圖所示，衛(wèi)星和用戶之間的距離ΔL（這個距離也被稱為“偽距”） ，衛(wèi)星的坐標（x’,y’,z’）是已知的，用戶的坐標（x,y,z）是未知的。假設(shè)信號的傳輸速度基本上幾乎等同于光速c，衛(wèi)星上的時間為t。用戶終端的時間為t’，那么，衛(wèi)星和用戶之間的距離ΔL可以通過下面這個公式算出：

衛(wèi)星信號從發(fā)射到被接收，需要經(jīng)過大氣層。當其通過電離層時，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，使其信號的傳播路徑發(fā)生變化。在對流層，信號的折射與大氣壓力、溫度和濕度變化密切相關(guān)。在地表附近，由于各種建筑物、水面、山體的影響，衛(wèi)星信號可能被反射或折射（多徑效應(yīng)），信號疊加將會引起測量參考點位置的變化，從而對觀測量產(chǎn)生誤差。

此外，還可能存在系統(tǒng)相關(guān)的誤差，包括星歷誤差、時鐘誤差、相對論效應(yīng)等。為了提高定位的精度，接收器還需要考慮和校正上述誤差，主要有以下幾種方案。 RTK定位

RTK（Real - time kinematic）稱為實時動態(tài)載波相位差分法，計算的是兩個測站的載波相位觀測值?；鶞收臼紫葘⒆约韩@得的載波相位觀測值及站點坐標，通過數(shù)據(jù)通信鏈路實時發(fā)送給周圍的接收機（移動站）。接收機使用動態(tài)差分定位的方法確定其相對基準站的坐標，然后根據(jù)基準站的坐標反算自己的瞬時坐標，精度可以達到厘米級甚至毫米級。

PPP定位

精密單點定位（Precise Point Positioning）可以計算出非常精確的位置，在良好條件下誤差小至幾厘米。PPP 是幾種相對復(fù)雜的 GNSS 位置細化技術(shù)的組合，利用地面監(jiān)測站對衛(wèi)星軌道、鐘差、載波偽距偏差等進行實時估計，并將修正數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星鏈路播發(fā)給接收機，最終求解出衛(wèi)星和接收機之間的準確距離。PPP的主要缺點是它需要更多的處理能力，需要外部星歷校正流，并且需要一些時間（最多數(shù)十分鐘）才能收斂到完全精度。

雙頻GNSS

GPS信號工作頻率分為了L1、L2、L5等幾個頻段，利用雙頻對電離層延度遲的不一樣，可以最大限度地減少電離層對電磁波信號的延遲的影響，從而有效改善定位精度(預(yù)計可達3-5米)。目前部分高端手機已采用雙頻定位。

未來發(fā)展趨勢

在全球通信生態(tài)系統(tǒng)中，衛(wèi)星通信被認為是 5G-A和 6G 的重要組成部分。其中低軌衛(wèi)星（LEO）星座具有衛(wèi)星數(shù)量多、覆蓋性能好等特點，有望為各個行業(yè)開辟新的可能性，并逐步受到世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)注和青睞。

基于低軌衛(wèi)星進行定位有如下好處：

衛(wèi)星到用戶的距離較短，路徑損耗較低，具有較好的接收信號增益；

衛(wèi)星仰角變化快，有利于精確單點定位 (PPP) 收斂時間；

可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，例如用于提高定位精度的輔助信息；

可以通過更低的建造、發(fā)射和運營成本來平衡衛(wèi)星成本；

能夠更快地部署新衛(wèi)星或更新系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷變化的需求和技術(shù)。

目前，3GPP在5G Rel-17版本中將非地面網(wǎng)絡(luò)NTN納入了規(guī)范，以支持用戶設(shè)備通過高低軌衛(wèi)星或高空平臺實現(xiàn)NR通信。3GPP在Rel-17和Rel-18中的NR NTN和IoT NTN規(guī)范要求支持NTN網(wǎng)絡(luò)的地面設(shè)備須具備GNSS能力，以預(yù)補償時間和頻率偏移。在大多數(shù)時間，GNSS可以提供了高度準確的位置和時間參考，然而GNSS系統(tǒng)可能存在被干擾（導(dǎo)致拒絕服務(wù)）和欺騙的情況。此外，如果使用改變的GNSS位置，則試圖通過接入信道連接到網(wǎng)絡(luò)的終端或一組終端也可能導(dǎo)致小區(qū)中所有其他用戶的服務(wù)被拒絕的情況發(fā)生。

基于上述原因，在即將開始的Rel-19 NTN evolution立項中有可能進一步增強對衛(wèi)星定位的支持，包括增強RACH和時間/頻率同步，以確保用戶設(shè)備在無GNSS可用性或精度降低的情況下的服務(wù)可用性。 可以預(yù)見的是，未來的6G將是基于LEO的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時代，除了在全球范圍內(nèi)提供廣域?qū)拵ㄐ欧?wù)外，還將支持高精定位導(dǎo)航等功能，并通過與地面通信系統(tǒng)的一體化實現(xiàn)基于通信和位置的萬物互聯(lián)。 ? ?

審核編輯：黃飛

?