高精度定位系统相关概念详解

1. GNSS 基础概念

• 定义：
  GNSS（Global Navigation Satellite System）是由多国卫星导航系统组成的全球定位网络，包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和中国的北斗系统。GPS是GNSS的一部分，主要用于提供位置、速度和时间信息。

• 组成：
  每个系统由卫星星座、地面控制站和用户接收设备组成。例如，北斗系统包含地球静止轨道（GEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）和中圆地球轨道（MEO）卫星

2. GNSS 技术参数与协议

(1) 核心参数

• 多频支持：
  现代GNSS模块（如移远AG550）支持L1/L5双频信号，通过多频接收提升抗干扰能力与定位精度。

• 定位技术：

  • RTK（实时动态定位）：结合基站与移动站数据，实现厘米级高精度定位。

  • 惯性导航（IMU）：在卫星信号丢失时（如隧道），通过加速度计和陀螺仪延续定位。

(2) 通信协议

• NMEA 0183：
  标准化数据格式，用于传输定位信息。常见语句包括：

  • $GPGGA：时间、经纬度、海拔及定位质量。

  • $GPRMC：推荐最小定位信息（时间、速度、航向）。

• 自定义指令：
  例如通过$CCRMO控制NMEA语句的输出频率，或通过$PCAS10配置串口波特率（如115200bps）

(3) 工作原理 

        全球卫星导航系统（GNSS）通过卫星发射的信号，使地面接收设备能够确定自身的位置、速度和时间。其核心原理基于测距定位和几何三角计算，以下是详细步骤解析：

 1、卫星信号发射与接收

• 卫星星座：
  GNSS系统（如GPS、北斗）由多颗卫星构成，分布在不同轨道上（如中地球轨道MEO、地球静止轨道GEO），确保全球覆盖。

  • 例如，GPS有24颗卫星分布在6个轨道面，每个轨道4颗卫星。

• 信号内容：
  每颗卫星持续发射包含以下信息的无线电信号：

  • 导航电文：卫星的轨道参数（星历）、时间戳、系统状态等。

  • 测距码：用于测量信号传播时间的伪随机码（如C/A码、P码）。

  • 载波频率：L波段信号（如GPS L1: 1575.42 MHz，北斗B1: 1561.098 MHz）。

2. 测距原理：伪距测量

• 时间同步：

  • 卫星携带高精度原子钟，确保时间同步。

  • 接收机通过接收多颗卫星的时间戳，计算信号传播时间差。

• 伪距计算：

  • 伪距（Pseudorange） = 光速 × （信号接收时间 - 信号发射时间）。

  • 由于接收机时钟与卫星时钟存在偏差（钟差），实际距离需修正，称为“伪距”。

3. 定位计算：四星几何解算

要确定接收机的位置（经度、纬度、高度）和时间误差，至少需要4颗卫星的信号：

1. 建立方程：
   每颗卫星对应一个球面方程：

   (x−xi)2+(y−yi)2+(z−zi)2=c⋅(tr−ti)+δt(x−xi​)2+(y−yi​)2+(z−zi​)2​=c⋅(tr​−ti​)+δt

   • (x,y,z)(x,y,z)：接收机坐标

   • (xi,yi,zi)(xi​,yi​,zi​)：第ii颗卫星坐标（从导航电文获取）

   • cc：光速

   • tr−titr​−ti​：信号传播时间

   • δtδt：接收机钟差

2. 解算位置：
   通过4个及以上方程联立，解算接收机的三维坐标和钟差。

   • 实际应用中，常使用最小二乘法或卡尔曼滤波优化解算结果。

4. 误差来源与修正

GNSS定位精度受多种误差影响，常见误差及修正方法如下：

误差类型	原因	修正方法
电离层延迟	信号穿过电离层时速度变慢	双频接收机（利用L1/L5频段差异校正）
对流层延迟	大气中水汽导致信号折射	模型校正（如Hopfield模型）
卫星钟差	卫星原子钟微小偏差	地面监控站实时校正并广播
轨道误差	卫星实际位置与星历数据偏差	差分GNSS（DGPS）
多路径效应	信号经建筑物等反射后到达接收机	抗多路径天线、信号滤波算法
接收机噪声	硬件电路噪声干扰	提高接收机信噪比

5. 高精度增强技术

• 差分GNSS（DGPS）：

  • 基站已知精确坐标，计算伪距误差并广播给移动接收机，提升米级至亚米级精度。

• 实时动态定位（RTK）：

  • 基站与移动站同步观测，通过载波相位测量实现厘米级精度（需基站间通信）。

• 广域增强系统（WAAS/SBAS）：

  • 通过地球同步卫星广播误差修正数据（如美国的WAAS、欧洲的EGNOS）。

6. GNSS信号处理流程

1. 信号捕获：

   • 接收机搜索卫星信号，匹配伪随机码相位与频率。

2. 信号跟踪：

   • 锁定卫星信号，持续解调导航电文（如卫星轨道参数）。

3. 定位解算：

   • 利用多颗卫星的伪距和星历数据计算位置。

4. 数据输出：

   • 生成NMEA 0183格式数据（如GPGGA、GPGGA、GPRMC）供用户使用。

(4) ANT_BIAS天线偏置 

1. GNSS中的ANT_BIAS（天线相位中心偏差）

在GNSS定位中，天线本身的物理特性会引入定位误差，称为天线相位中心偏差，具体包括：

• 相位中心偏移（PCO, Phase Center Offset）：
  天线实际相位中心与机械参考点（如安装底座）之间的几何偏差。

• 相位中心变化（PCV, Phase Center Variation）：
  相位中心随信号入射角度（方位角、仰角）的变化而偏移。

影响与修正方法

• 对定位的影响：

  • 导致高程误差（典型值1~5 cm）和水平误差（0.5~3 cm）。

  • 高精度定位（如RTK）必须校正此类偏差。

• 修正方法：

  • 标定文件：厂商提供天线型号的PCO/PCV标定参数（如.atx文件），在定位解算时加载。

  • 差分校正：基站与移动站使用同类型天线，部分抵消相位中心偏差。

2. 射频电路中的ANT_BIAS（天线偏置电压/电流）

在射频硬件设计中，ANT_BIAS 可能指为有源天线供电的直流偏置电路：

• 功能：

  • 通过同轴电缆为有源天线（如GPS天线）提供直流电源（典型电压3~5V）。

  • 隔离射频信号与直流电源，防止相互干扰。

• 电路设计：

  • 偏置T（Bias Tee）：由电感和电容组成，合并/分离直流与高频信号。

常见问题与调试

问题	原因	解决方案
有源天线不工作	偏置电压未正确加载	检查电源电压、偏置T电路连接
接收信号噪声大	直流电源噪声耦合到射频路径	增加滤波电容或使用低噪声LDO
天线供电过载	电流超出天线额定值	添加限流电阻或更换高功率电源

3. 软件/协议中的ANT_BIAS参数

某些GNSS模块或定位算法中，ANT_BIAS 可能作为配置参数，用于补偿天线相关误差：

• 示例（伪代码）：

  // 设置天线相位中心偏差补偿值（单位：米）
  setAntennaBias(0.02, 0.01, -0.03);  // (x, y, z方向偏差)

• 应用场景：

  • 未使用标定文件时，手动输入经验值进行粗略补偿。

  • 动态调整（如无人机天线随姿态变化的实时补偿）。

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4. 多路径效应与ANT_BIAS的关系

• 多路径效应：
  卫星信号经反射物（如建筑、地面）干扰直达信号，导致伪距测量误差。

• 与天线设计的相关性：

  • 使用抗多路径天线（如扼流圈天线）可显著降低此类误差。

  • 多路径误差可能被误判为天线相位中心偏差，需通过场地标定区分。