感谢您使用电巢APP， PC端建议使用Google Chrome浏览器进行观看！

讲师介绍：

潘凡旭老师|EDA365射频论坛特邀版主，原国内知名企业射频电路设计专家

• 将近15年无线终端天线及射频电路设计研发经验，拥有丰富的项目独立设计经验；
• 工作期间从2G时代做到4G时代，对移动终端射频架构和射频技术有深刻的理解；
• 擅长从理论到实践的分析过程，熟练使用HFSS，CST,以及ADS仿真工具进行射频电路和天线的仿真设计。

知识点：

• 模型解释需要4颗卫星才能定位的原理
• 为什么定位会不准
• 大气电离层折射（晚上比白天信号更好，定位更精确）
• 大气对流层折射
• 雨雾天气对卫星定位信号的影响
• AGPS辅助定位

大家好，欢迎来到电巢直播间，我是潘老师。大家都知道，前不久，我国自行研发的北斗3号卫星定位系统正式上线运行了，可以说，这是我们中国强大国力的又一次有力的表现。关于北斗卫星定位系统的知识以及它的优点，我想大家已经通过各种媒体网络了解过了，没了解的也没关系，我们电巢射频科普小知识里，也有相关的内容。

那我们今天不是专门来聊北斗的，我们今天聊一聊卫星定位的一些小知识，从射频知识的方向来聊聊，卫星定位的那些事。

首先呢，我还是想给大家讲一下卫星定位的基本原理。我们今天用一个比较直观的方式，来讲卫星定位的原理。卫星定位其实还是用到了最基本的三角定位原理。什么是三角定位呢？大家看到我这个直角坐标系，上面有ABC三个点，A点和B点的坐标已知，角BAC和角ABC度数也已知，那就可以通过计算得出C点的准确坐标值，这就是二维平面的三角定位。如果需要在三维空间进行定位，两个已知坐标点就不够了，我们需要三个已知坐标点，以及这三个坐标点和第四个待定位点之间的相对位置，或者是距离，这样就可以准确计算出第四点的坐标位置XYZ，实现三维空间的定位。因此，理论上来说，只要能够确定太空中三颗或以上卫星的准确坐标，以及这三颗卫星与地面待定位点之间的距离，就可以计算出待定位点在地球上的准确位置，包括经度纬度以及海拔高度。但是，实际上，卫星定位至少需要四颗卫星的信息，这是为什么呢？

计算卫星与地面接收终端之间的距离，是通过测量卫星从太空中发出的电磁波到达终端的时间乘与光速来计算出卫星与终端之间的距离。因此，精确计量电磁波在空中传输的时间就显得尤为重要，这个时间误差哪怕只有0.0001秒，距离误差也会高达30公里。 计量传输时间的方式很有意思，定位卫星会按一定的时间间隔，不停的向地面发送一段伪随机测距码，地面终端在发起定位时也会在相同的时间生成一段伪随机测距码，这两段测距码同时生成，内容完全一致。因此，当卫星发送的测距码到达定位终端时，由于电磁波传播的时延，两段测距码会有差异，计算出差异的码片数量，再除以码片速率，就可以得到电磁波传播的时延，也就是电磁波从卫星到达定位终端的时间，卫星与终端之间的距离也就可以计算出来了。看上去是不是很简单？确实，原理就是这么简单，一点不高大上，但要做好就会非常难。

首先是一个时间同步的问题。每个参与定位的卫星都需要在时间上高度同步，否则就会有定位误差存在，所以卫星上配备的是原子钟。但原子钟也一样分三六九等，美国人的GPS上用的原子钟就很好，受控于老美的技术封锁，早期北斗用的原子钟就没那么好，定位精度确实不如GPS。除了卫星以外，地面接收终端的时间一样需要同步。但是终端时钟肯定做不到原子钟那么精确，有些没有校正过的终端时钟，可能时间误差会有几个小时那么久。这个时候，仅靠三颗卫星提供位置信息求解出终端三维坐标XYZ已经不够了，需要有第四颗卫星加入，求解出终端的准确时钟T。所以说，实现终端定位至少需要和至少四颗卫星建立定位通信才能完成。

好，我们了解了卫星定位的原理，下面我们一起来了解下，卫星定位为什么会不准？有些同学可能会说，定位不准肯定是卫星信号不好。这个理解不能说不对，但也不能说全对。和所有的接收机一样，终端接收到的卫星信号，需要满足一定的信噪比，才能被解调，并用于计算时延，在终端上，这些信噪比会用CN值来表示，大家自己下载一个GPS测试仪小软件就可以看到你能接收到的每一颗定位卫星的CN值。只要满足信噪比的卫星信号都可以认为是信号好的，这些卫星提供的信息会被用于定位的计算；那些不能满足信噪比的卫星信号肯定就是不好的，系统不会将他们提供的信息用于定位计算。所以，通常我们所说的卫星信号好，是指的参与计算的卫星数量足够多，而参与计算的卫星信号数量越多，计算出来的定位信息就会越准确。

除了终端可见卫星数量以外，还有很多影响卫星定位精度的不可抗力因素的存在。比如说，大气电离层折射。大气电离层指的是，离地平面高度50千米至1000千米的大气层，在这部分大气层中的空气，受到太阳辐射紫外线和X射线，以及宇宙高能粒子的影响，大气中的各种成分，比如氧气，氮气，二氧化碳等等气体，会产生电离现象，由此就会产生许多自由电子和各种正负离子。这些带电粒子会对电磁波的传播产生影响。比如，短波段的无线电波可以在电离层被反射，从而实现超长距离通信，而中波段的无线电波则可能因为带电粒子的共振引起能量损耗，最终被电离层吸收。但是微波段的无线电波是可以穿透电离层的，但是能穿透不代表不会被影响，微波在穿透电离层时，会产生不同程度的时延和能量衰减，具体是由电离粒子的密度来决定的。我们定位卫星发射出的定位信号就是一种微波，它在穿透电离层时，由于电离层折射的原因，可能会产生一定的时延，在最后计算卫星和接收终端距离的时候，可能带来高达150米的误差。虽然说，现代大气科学对电离层密度已经有了比较完善的数学模型，这部分误差可以通过数学模型进行一定程度的消除，但是，实时的电离层密度依然会受到，地理位置，大气气流，季节，以及太阳高能活动的影响，所以，电离层带来的定位误差实际上是无法完全消除的。

有一个方法可以将即时的电离层密度计算出来，并带入定位计算中，减小误差。我们都知道，不同频率的电磁波的波长是不一样的，他们在穿透同一介质时的电延迟也是不一样的。如果一颗卫星可以发送两个不同频率的定位信号，那么终端在接收到信号的时候就可以通过这两路信号的延迟时间差，计算出电离层带来的延迟误差，从而提高定位的精度。因此现代卫星定位系统通常都采用双频，甚至是三频同时发射定位信号，只是，对于民用级定位导航来说，接收单频定位已经可以满足大部分的要求。对导航定位要求比较高，又不差钱的朋友，可以选购双频卫星定位终端。

这里面也有一个有趣的现象，就是大家普遍会感觉到，在夜晚做定位时，无论是搜星数，还是定位精度，都比白天要高，这其中主要的原因就是，晚上没太阳，辐射造成的带电粒子数量减少，大气电离层的对卫星信号的影响也就减小很多。

除了电离层的影响，大气对流层受到地面温度的影响，也会对卫星信号产生一些折射效应，带来传输延迟，当然，对流层的影响要小很多，为了减少对流层的影响，接收终端只接收仰角为5°到85°的卫星信号，同时加上完善的数学模型来消除误差。对于高精度定位，则可能需要加入对大气温度，湿度的实时测量来优化计算。

下面，说完了地球大气层，我们再来聊聊天气。我经常听到人说，今天下雨，天气不好，卫星信号弱，或者说今天出太阳，卫星信号肯定比较好。关于太阳的影响，我刚才已经讲到了，只要是白天，太阳都会带来定位误差。但是雨雾天真的会对卫星定位带来影响么。确实有一点，但这个影响几乎可以忽略不计。雨雾天对电磁波传播的影响主要有两个，一个是吸收衰减，一个是传输路径散射。我们先讲简单的，传输路径散射。雨雾能被人肉眼看见，那肯定是对电磁波有阻碍效应存在的，毕竟雨雾的构成是液态水混合空气尘埃，属于电的良导体，电磁波打到这些液态水上面，就会产生反射和折射，减少信号到达终端的强度。但是，散射带来的影响并不大，最强不过1~2dB而已。而能量吸收就不一样了，当电磁波波长和雨雾液滴尺寸相近时，雨雾液滴会产生共振，从而吸收电磁波能量，并转化为热能。实测结果表明，雨滴半径在0.025cm~0.3cm，实际大小受降雨量的影响。但是卫星定位信号在1.2GHZ~1.6GHZ左右，其半波长为9~12cm，远大于雨滴半径，因此吸收衰减量极小。雾气的吸收衰减量就更小了。所以总体来说，雨雾天线对卫星定位的影响并不大。

说到雨衰，那必须说到一个典型的反面案例。话说，德国的军工科学一直走在世界前列，世界上第一个雷达，严格意义上来说就是德国人造的。二战时期，德国人为了提高雷达定位扫描的精度，开发出了K波段雷达，其实就是德语高频雷达的意思。原本K波段雷达是要在战场上大显身手的，但是每逢下雨天，K波段雷达就彻底抓瞎瘫痪了，一研究才发现，K波段电磁波波长和雨滴半径相近，因此雨衰极大。辛苦研制的雷达就报废了。战后为了避开K波段这个大坑，各国又相继开发出了KU和KA波段的雷达系统。

聊完了定位精度，我们再来聊聊定位的速度。不知道大家有没有发现，在城市中，移动网络覆盖很高的区域，卫星定位，从打开软件到实现定位的速度非常快，有时候甚至快到你没感觉定位需要时间。而在野外，移动网络覆盖不好，甚至是完全没有网络信号的地方，卫星定位的速度就很慢，有时甚至会超过3分钟。要搞清楚这个问题，需要对卫星定位的机制有所了解。定位卫星在近地轨道飞行，为了区分它们，每颗卫星都有一个唯一编号，无论是美国的GPS，欧洲的伽利略，还是我国的北斗，所有定位系统共用一套编号机制，编号就是卫星的身份证，有且唯一。这些卫星按照一定的固定轨道飞行，因此，只要知道了卫星轨道信息，就可以根据时间来预测这些卫星在太空中的三维坐标位置。用于记录卫星运行轨道的信息，被称为卫星星历，每颗独立编号的卫星都有它自己的星历。

卫星星历有两种，一种叫预报星历，由卫星自身不断广播出来，没有存储星历的终端在接收到卫星广播的信息时需要下载卫星星历，然后解码，辨别卫星编号并储存，这颗卫星提供的资讯才能被用于定位计算，下载星历的过程是需要一定时间的，只有下载到足够多的卫星星历，才能实现终端定位，这个过程叫冷启动定位，冷启动定位时间通常被用于衡量终端的定位能力，时间当然是越短越好

但是，只要终端进行过一次冷启动定位，星历就会保存在终端里。当终端没有离开第一次冷启动定位的地点太远（通常取距离小于200公里），而且定位系统关闭时间不超过2小时，那么储存的星历信息将被再次使用，无需下载星历，定位时间将大为缩短。

为了提升卫星定位的速度，现在的定位系统，普遍采用A-GPS辅助定位系统。采用这个技术的定位终端，会首先采用网络基站，进行粗略的三角定位，再通过网络推送当前地点所有卫星的星历，免去了星历从卫星下载的过程，几乎可以实现1秒定位。所以在网络覆盖很好，基站密集的城市区域，终端定位速度要比无网络覆盖的野外快得多。