GNSS原理及配置

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）定位的基本原理是通过测量四颗或四颗以上已知位置的卫星与 GNSS 接收机的距离，通过距离交汇的方式来确定接收机的位置。如图1所示，图中的 GNSS 接收机为当前要确定位置的设备，卫星 S1、S2、S3、S4 为本次定位要用到的四颗卫星，p1、p2、p3、p4 为测量得到的卫星到接收机的距离。由于存在各种误差的影响，这并不是真正的几何距离，称之为伪距。

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根据已知的卫星信息，可以列出如下方程：

 

通过解算方程就能得到接收机的位置。方程式中，c 为光速，CB 为接收机时钟差，X、Y、Z为接收机位置，其中接收机位置和接收机的钟差是未知数。

获取卫星位置

卫星的位置信息通过导航电文调制在卫星播发的信号中。只要能锁定卫星，GNSS 接收机就可以根据电文的格式，把卫星位置相关的信息解调出来，从而确定卫星的位置。

卫星位置信息在电文中是重复播发的，通常重复的周期是 30 秒。这也是为什么在信号条件较好的情况下，冷启动的定位时间是 30 秒左右的原因。

卫星号定义

卫星系统	卫星号
GPS	1 ~ 32
SBAS	33 ~ 54
GLONASS	65 ~ 92
GALILEO	95 ~ 130
QZSS	193 ~ 200
BDS	201 ~ 264
IRNSS	301 ~ 312

启动模式

启动模式主要根据接收机所处的不同状态来定义。这些状态通常由以下因素决定：

• 位置：接收机是否定位过。

• 参考时间：接收机是否维持有效的时间。

• 星历：接收机中备份的星历信息是否有效。

• 历书：接收机中备份的历书是否有效。

   

根据这些信息的状态，将启动分为工厂启动、冷启动、温启动和热启动，具体定义见下表：

启动方式	位置	时间	星历	历书
工厂启动	无	无	无	无
冷启动	无/失效	无	无/失效	无/失效
温启动	有	有	无	有
热启动	有	有	有	有

• 工厂启动：接收机从来没有定过位，第一次使用的情形。

   

• 冷启动：接收机定过位，但距离上一次定位的时间太长导致历史备份的信息都失效的情形。

   

• 温启动：接收机定过位，但是距离上一次定位时间超过 2 小时的情形，这是终端用户遇到的绝大多数场景。

   

• 热启动：接收机定过位且距离上一次定位的时间小于 2 小时。

   

TTFF

用户发起定位到终端定位成功之间的时间为 TTFF（Time To First Fix，首次定位时间），主要由卫星捕获的时间和卫星星历的获取时间组成。

卫星捕获时间主要受测试环境的影响，与信号强度相关。

卫星星历的获取有几种方式：

• 对工厂启动，冷启动和温启动而言，主要从 GNSS 卫星信号中解调得到，时间主要与星历播发周期（通常是 30 秒）、信号强度相关。

   

• 对热启动而言，由于星历在本地已经有备份，TTFF 主要受卫星捕获的时间影响，所以热启动 TTFF很短，在信号环境好的情况下通常只需要 1 秒。

   

在具备 AGNSS（Assisted- Global Positioning System，辅助全球导航卫星系统）的情况下，卫星星历直接通过网络下载到终端中，所以 TTFF 大大缩短，通常定位速度可以接近热启动。为了获得更好的 TTFF，建议使用 AGNSS 功能。

多星座联合定位

GNSS 卫星定位的精度受到卫星数量和卫星构型的影响。多星座增加了卫星数量，可以有效提升卫星的几何构型，尤其在有遮挡的信号环境下效果非常明显。

从另一方面来分析，TTFF 和卫星星历获取的时间相关。由于各星座间星历调制的格式及时序不一致，则在不同时刻点可以解调到不同卫星的星历信息，相对一个星座而言，极大的增加了快速获取足够卫星星历的概率，从而有效降低 TTFF。

影响因素

利用 GNSS 进行定位时，会受到各种各样因素的影响，从而造成定位误差。GNSS 系统的主要误差来源可分为三类：

• 与 GNSS 卫星有关的误差：主要有卫星星历的误差、卫星钟差等。

   

• 与信号传播有关的误差：主要有对流层延迟、电离层延迟以及多路径效应。

   

• 与接收设备有关的误差：主要有接收机钟差，接收机噪声以及由于接收机和卫星存在相对运动引入的相对论效应。

   

同时，卫星的几何构型（和卫星的分布和卫星的数量相关）也会对 GNSS 定位精度造成影响，通常可以通过 NMEA 中的 HDOP 值来分析卫星的几何构型是否良好。

根据上述的各种影响因素，可以了解到 GNSS 定位与卫星信号的强弱、卫星数量的多少、接收机所处的环境是否有遮挡、是否存在反射信号等因素有密切关系。

在具备 AGNSS 的情况下，卫星星历直接通过网络下载到终端中。在此条件下，实际可用于定位的卫星颗数大于不使用 AGNSS 的情况，定位精度因此会好于不使用 AGNSS 的情况。为了获得更好的定位效果，建议使用 AGNSS 功能。

定位模式

除了 GNSS 定位外，还有一些基于网络的定位方式，主要包括基站定位和 Wi-Fi 定位：

• GNSS 定位是指利用捕获到的 GNSS 卫星信息根据测距原理进行解算来确定接收机的精确位置。

   

• 基站定位利用设备搜集周围所有收到信号的基站及其 ID，查询定位服务器可知基站位置。再通过计算基站信号传播到终端的角度、时间和强度等信息，就可以确定终端的位置。

   

• Wi-Fi 定位则是通过设备周围每个 Wi-Fi 热点的信号强弱计算出设备的大致地理位置。每个热点的位置可以通过查询服务器获取。

   

对应到 Android 系统中的 LocationManager，GPSProvider 提供的位置信息就是 GNSS 定位，而NetworkProvider 提供的位置信息就是网络定位。

各种定位模式的定位精度如下：

• GNSS 定位：根据卫星信号来确定设备位置，在空旷的环境下，误差只有几米。

   

• Wi-Fi 定位：根据附近的 Wi-Fi 网络来确定设备位置。

   

• 基站定位：根据设备与移动网络的连接来确定位置，其误差最高可达几千米。

   

常用的NMEA语句

NMEA 语句是 GNSS 定位信息的标准输出格式，主要有以下两种语句格式：

• GGA 语句：可以获取定位信息，包括经纬度、定位状态、卫星数、卫星构型等信息。

   

• GSV 语句：可以获取卫星相关的信息，如高度角、方位角以及信号强度（CN0）。

   

对这两条语句的详细解释如下：

• GGA 数据详解：

   

语句格式：

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*xx

示例：

$GPGGA,180432.00,4027.027912,N,08704.857070, W,2,07,1.0,212.15,M,-33.81,M,4.2,0555*73

字段1：UTC 时间，格式为 hhmmss.sss。

字段2：纬度，格式为 ddmm.mmmm（第一位是0也将传送）。

字段3：纬度半球，N 或 S（北纬或南纬）。

字段4：经度，格式为 dddmm.mmmm（第一位0也将传送）。

字段5：经度半球，E 或 W（东经或西经）。

字段6：定位质量指示，0=定位无效，1=定位有效，2=差分定位，6=惯导定位。

字段7：使用卫星数量，从 00 到 12（第一个零也将传送）。

字段8：水平精确度，0.5 到 99.9。

字段9：天线离海平面的高度，-9999.9 到 9999.9 米。

字段10：大地水准面高度，-9999.9 到 9999.9 米。

字段11：差分 GNSS 数据期限（RTCM SC-104），最后设立 RTCM 传送的秒数量。

字段12：差分参考基站标号，从 0000 到 1023（首位 0 也将传送）。

xx：Checksum 校验和。

• GSV 数据详解：

   

语句格式：

$GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>,<14>,<15>*xx

示例：

$GPGSV,3,1,10,20,78,331,45,01,59,235,47,22,41,069,,13,32,252,45*70

字段 1：本次 GSV 语句的总数目（1 - 3）。

字段 2：本条 GSV 语句是本次 GSV 语句的第几条（1 - 3）。

字段 3：当前可见卫星总数（00 - 12）（前导位数不足则补 0）。

字段 4：PRN 码（伪随机噪声码）（01 - 32）（前导位数不足则补 0）。

字段 5：卫星仰角（00 - 90）度（前导位数不足则补 0）。

字段 6：卫星方位角（00 - 359）度（前导位数不足则补 0）。

字段 7：信噪比（00 - 99）dB-Hz。

字段 8：PRN 码（伪随机噪声码）（01 - 32）（前导位数不足则补 0）。

字段 9：卫星仰角（00 - 90）度（前导位数不足则补 0）。

字段 10：卫星方位角（00 - 359）度（前导位数不足则补 0）。

字段 11：信噪比（00 - 99）dB-Hz。

字段 12：PRN 码（伪随机噪声码）（01 - 32）（前导位数不足则补 0）。

字段 13：卫星仰角（00 - 90）度（前导位数不足则补 0）。

字段 14：卫星方位角（00 - 359）度（前导位数不足则补 0）。

字段 15：信噪比（00 - 99）dB-Hz。

xx：Checksum 校验和。

影响GNSS信号的因素

材料因素

• GNSS 模块接收的是 1575.42 MHz 微波信号，1575.42MHz 的微波信号波长是 19 厘米，所以理论上可以透过孔径（直径）大于 19 厘米的金属网，或普通金属桁架结构，比如输电铁塔。

• 将 GNSS 模块放入任何金属实体中，信号会被完全遮闭掉。

• 在深度为 1 厘米以上的水体中使用 GNSS 模块，信号会完全衰减至不可用。

• 将 GNSS 模块放入玻璃或者塑料腔体中，信号会有轻度衰减。

• 将 GNSS 模块放在厚重的非金属物体（比如几厘米的木头）中，信号会被完全遮挡。

   

其它因素

• 天气：GNSS 信号的波长足以让它穿越空气中的各种障碍物。恶劣的天气完全不会对 GNSS 信号正常工作产生影响。

• 树冠：树叶中含有的水分、树叶上面的水分(露水或下雨)以及树的枝干密集程度对 GNSS 信号的衰减会产生影响。

• 挡风玻璃：汽车挡风玻璃会让 GNSS 信号轻微衰减，但是车膜对 GNSS 信号的影响要比玻璃大得多。

   

AGNSS 功能开启

• 用户面（User plane）：AGNSS 用户面（User plane）开关默认是开启的，不需要额外去开启 AGNSS开关。当设置好可用 AGNSS 服务器地址和端口号且开启数据业务，在现网下就可以使用 AGNSS 用户面（User plane）功能。

   

• 控制面（Control plane）：AGNSS 控制面（Control plane）的开启主要开关在 modem 侧，需要把modem 侧的 AGNSS NV 开启后才能使用该功能。

 

配置 SUPL 服务器地址

在版本发布中都会含有 supl.xml 文件，通过修改来配置 AGNSS 服务器地址。

SERVER-ADDRESS：配置 supl 服务器地址。

SERVER-PORT：supl 服务器端口。

不同的 Android 版本、芯片，该 xml 配置文件在版本中的位置存在差异。

服务器证书启用修改

证书的作用是校验连接的服务器是否合法。证书在 GCF 等认证实验室中，部分 Case 是必须的，客户需要根据仪表提供的证书正确配置。

在真实网络环境中，一般不建议使用证书。

证书文件本身需要从服务器或仪表处获得，注意一定要确保证书是正确的，一旦证书错误会导致 SUPL服务无法使用。