卫星定位技术

定义

卫星定位技术指利用人造地球卫星发射的无线电信号，测定地面、海面或空中用户位置及时间的技术。它属于无线电导航定位的范畴，与天文定位、惯性导航等传统手段相比，观测不依赖天气与昼夜，并能覆盖全球^[1]。

一套完整的卫星定位系统通常由三部分构成：在轨运行的卫星星座负责向地面广播时间信号、测距信号与自身瞬时坐标；地面控制部分负责测定卫星轨道与钟差、监控卫星状态并向卫星注入更新数据；用户部分即各类接收机，接收信号并完成解算，得到最终位置^[2][1]。

具备全球导航定位能力的系统被统称为全球导航卫星系统，英文缩写为 GNSS。目前世界上主要有 4 套这样的系统：美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略以及中国的北斗卫星导航系统^[1]。

原理

卫星定位的基本观测量是信号从卫星传到接收机所需的时间。卫星在信号中播发发射时刻与自身位置，接收机用本地时钟记录到达时刻，两个时刻之差乘以光速便得到卫星与接收机之间的距离^[3]。由于接收机钟与卫星钟难以严格同步，这样算出的距离并非真实几何距离，被称为伪距，其中还叠加了大气延迟等因素^[4]。

若记卫星坐标为 $(X^s, Y^s, Z^s)$、接收机坐标为 $(X, Y, Z)$，几何距离可写成 $\rho = \sqrt{(X^s-X)^2+(Y^s-Y)^2+(Z^s-Z)^2}$。式中未知量为 3 个位置分量与 1 个接收机钟差，因此至少需要同时观测 4 颗卫星才能列出足够的方程求解^[5]。当可见卫星多于 4 颗时，通常用最小二乘等方法求取最优估计值^[6]。

从几何上看，一颗卫星测得的距离只能把接收机限制在以该卫星为球心的球面上，两颗卫星给出一个交线圆，3 颗卫星可交出两个解，其中位于地表附近的一个即为所求^[7]。第 4 颗卫星的主要作用在于解出接收机时钟相对卫星时间的偏差^[8]。

高精度定位对时间测量极为敏感：时间误差为 10 纳秒时，对应的距离误差约为 3 米^[3]。为此导航卫星普遍搭载原子钟，以其稳定的共振频率提供时间基准^[3]。普通导航使用伪距即可，测绘等要求更高的场合还会利用载波相位观测，通过解算整周未知数把精度提高到厘米级^[4]。

graph LR

A[导航卫星星座] -- 广播测距信号与轨道参数 --> B[用户接收机]

C[地面控制部分] -- 注入轨道与钟差 --> A

B -- 测距与解算 --> D[三维位置与时间]

发展历程

卫星定位的思想源于对卫星无线电信号的观测。1957 年 10 月苏联发射第一颗人造地球卫星后，美国研究机构在跟踪过程中发现信号存在多普勒频移现象，并由此意识到可在已知卫星轨道的前提下反推接收机的位置^[9]。

1958 年，美国海军为解决核潜艇导航问题启动子午仪计划，研制多普勒体制的导航卫星系统^[10]。1960 年 4 月 13 日首颗试验卫星子午仪 1B 发射成功，1964 年系统交付海军使用，1967 年起向民用开放^[11]。子午仪系统由数颗近极轨道卫星组成，定位间隔较长，不能连续导航，至 1996 年退出使用^[12]。

20 世纪 70 年代初，美国开始研制采用时间测距体制的全球定位系统^[10]。1995 年，GPS 成为全球第一个可全天候、连续、实时工作的全球卫星导航系统^[9]。此后，俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略和中国的北斗相继建设，卫星定位进入多系统并存的阶段^[2]。

北斗系统的建设分步推进：1994 年工程立项，2000 年北斗一号建成并投入使用，使中国成为世界上第三个拥有卫星导航系统的国家^[9]。按规划，系统先覆盖亚太地区，2020 年前后建成覆盖全球的卫星导航系统^[2]。

应用

在大地测量中，卫星定位被用于建立不同等级的测量控制网、获取地表三维数字信息、为航空摄影测量提供位置与姿态数据，也用于城市规划测量、工程测量、石油地质勘探和地质灾害监测^[1]。在地球科学中，它可用于研究板块运动等形变过程，并借助信号的大气延迟反演气象参数^[1]。

在交通领域，车载导航、手机地图、共享单车调度和自动驾驶等场景都需要卫星定位提供位置信息^[9]。它也被用于确定飞机、火箭等载体的实时位置与轨迹，以及低空遥感卫星的定轨^[1]。

卫星信号在提供位置的同时也提供高精度时间，可用于通信、电力等系统的时钟同步以及时间频率比对^[1]。在农业与应急领域，北斗系统还提供短报文通信和搜救服务，把定位与通信能力结合在一起^[9]。

局限

卫星定位依赖来自高空的直射信号，其穿透能力有限。进入隧道、地下车库、深山峡谷或被高楼密集遮挡的区域时，信号会衰减甚至丢失，造成无法定位或位置漂移^[13]。在城市峡谷中，接收机可见的卫星数量可能少于解算所需的 4 颗，从而无法完成定位^[14]。

建筑物和地形会反射卫星信号，使反射信号与直射信号同时或单独到达接收机，形成多路径效应，严重时定位误差可达数十米^[14]。可见卫星的空间分布不佳还会放大测距误差，这一影响通常用精度因子来描述^[15]。

信号穿过电离层和对流层时会发生延迟，需要通过模型改正或双频观测加以削弱^[4]。此外，卫星信号到达地面时已相当微弱，既容易受到无意或人为的干扰，也可能被伪造信号欺骗而产生错误位置^[15]。

参见

• 全球定位系统 —— 由美国建设的全球卫星导航系统，也是最早投入全面运行的一套系统。

• 北斗卫星导航系统 —— 中国自主建设并运行的卫星导航系统，兼具定位与短报文通信能力。

• 全球导航卫星系统 —— 具备全球导航定位能力的各类卫星系统的统称，英文缩写为 GNSS。

• 原子钟 —— 为导航卫星提供高稳定时间基准的核心部件。

• 实时动态定位 —— 借助基准站差分改正实现实时高精度定位的技术。