什么是GNSS？

GNSS的全稱是全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的衛星導航系統，包括全球的、區域的和增強的。GNSS是覆蓋全球的自主地利空間定位的衛星系統，用于導航與定位測量，簡單來講，GNSS系統就是利用衛星信號傳輸實時位置與時間信息，并從而計算得到地面接收設備的經緯度等地理位置信息。

GNSS系統和其他衛星通信一樣，可以從結構上大概分成三部分：空間段-地面段-用戶段，其中：

• 空間段：在地球上空20,000至37,000公里之間運行的GNSS衛星；這些衛星廣播信號，識別正在傳輸的衛星及其時間、軌道和健康狀況。
• 地面段：是一個由位于世界各地的主控、數據上傳和監測站組成的控制網絡，主要負責這些站接收衛星信號，并將衛星顯示的位置與軌道模型顯示的位置進行比較并進行修正。而這里的軌道模型與預測數據就被稱為星歷（ephemeris）
• 用戶段：所有可以接收衛星信號并根據至少四顆衛星的時間和軌道位置輸出位置的設備都可以稱之為用戶端，主要包含信號接收天線，可處理該信號并輸出位置信息的接收與定位模塊。其中有采用基準站與流動站參照提高定位精度的定位模塊，也就是RTK。目前，隨著自動駕駛與智能物聯網等技術的發展，高精度定位發展也越發迅猛，對定位精度與定位效果測試的需求也越來越多。

GNSS的發展歷程

GNSS技術是一種衛星通信技術，更是一種無線通信技術。無線通信技術發展至今不過200余年，衛星通信則更短，因此GNSS的發展歷史并不算長。

GNSS的發展可以追溯到世界上第一顆人造衛星Sputnik，它是由蘇聯研發，用于大氣層環境測試與無線電與光學軌道追蹤方法測試，這引發了美蘇之間的太空競賽。3年后，美國軍方開發了世界上第一套基于多普勒效應的定位系統Transit。

此后為了提高定位精度，美國研發了更為精準的基于衛星位置與特定時間精準測距的Timation，這也被認為是GPS的先驅。此后美、蘇持續研發GNSS定位技術。1973年，美國建立GPS基礎架構，并逐步完善；1982年，GLONASS系統在經過十多年的研發后最終成形；2000年，中國引入北斗系統；2010年，日本發布準天頂衛星系統（QZSS）；2005年，歐盟推出伽利略系統；2013年，印度推出印度區域導航衛星系統 (IRNSS)，現稱為 NavIC。

GNSS定位原理

GNSS 定位基于三角測量原理，依賴于對接收器與每顆可見衛星之間的距離的估計，即三點定位法，空間中三個圓的交點即是定位位置（實際上數學問題中三個圓的交點可能不止一個，但是剩余的都會被視作異常，如不在地球表面等），從這個角度講，定位最少需要三顆衛星。但是，實際應用中有所不同：因為GNSS信號需要傳播的距離非常遠，期間存在大量干擾與削弱，因此統一的時間參考誤差極大，所以實際應用中會將時間作為第四個變量：接收器參考與衛星機載時鐘之間的時間差。

GNSS的類型與區別

正如上文所說，目前GNSS泛指所有的衛星導航系統，包括全球的、區域的和增強的：

• 全球導航系統：美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗（COMPASS）系統，即四大系統。
• 區域導航系統：日本的QZSS，印度的IRNSS系統
• 增強系統：美國的WAAS（廣域增強系統）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導航重疊系統）和日本的MSAS（多功能運輸衛星增強系統）等。星基增強系統 (SBAS)提供全局誤差校正以提高 GNSS 應用的準確性。許多國家管理著自己的 SBAS 系統，這些系統通常被認為與傳統的 GNSS 星座分開。

這些星座使用L波段的無線電頻率（一般指1100-1600MHz）來傳輸它們的信號，每個星座可能會為這些信號選擇不同的頻率并使用對應的標簽，GNSS定位設備通常接收至少兩個頻率。

GNSS的類型

GPS系統（美國）

GPS系統，即全稱全球定位系統(Global Positioning System），是世界上第一個在太空中建立的星座，目前該系統有34顆在軌衛星，支持L1（1575.42 MHz）、L2（1227.60MHz）和L5（1176.45MHz）頻率，正在通過部署新的GPS III衛星對其進行現代化改造。

北斗系統（中國）

北斗衛星導航系統BDS，簡稱北斗，是目前世界范圍內最大的GNSS星座。20世紀后期，中國開始探索適合國情的衛星導航系統發展道路，逐步形成了三步走發展戰略：2000年年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務；2012年年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；2020年，建成北斗三號系統，向全球提供服務，目前有51顆衛星在軌。

北斗系統具有以下特點：

• 北斗系統空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能優勢更為明顯。
• 北斗系統提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度。
• 北斗系統創新融合了導航與通信能力，具備定位導航授時、星基增強、地基增強、精密單點定位、短報文通信和國際搜救等多種服務能力。
• 北斗衛星目前發射多種信號，包括B1I（1561.098 MHz）、B1C（1575.42 MHz）、B2a（1175.42 MHz）、B2I和B2b（1207.14 MHz）和B3I（1268.52 MHz）。

GLONASS系統（俄羅斯）

GLONASS格洛納斯，全稱為 “全球衛星導航系統GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”，最早開發于蘇聯時期，前身為Parus，后由俄羅斯繼續研發。自2011年起全面運行，目前有27顆衛星在軌運行，GLONASS衛星在GLONASS L1（1598.0625-1605.375 MHz）、L2（1242.9375-1248.625MHz）和L3（1202.025 MHz）頻率上廣播信號。最新一代衛星GLONASS-K于2016年2月投入使用。

Galileo系統（歐盟）

伽利略是一個較新的星座，于2011年首次發射，由歐洲全球導航衛星系統局在歐盟以外運營，目前有30顆在軌衛星，這些衛星沿L波段頻譜傳輸，將其頻率標記為 E1（1575.42MHz）、E5（1191.795MHz）、E5a（1176.45MHz）、E5b （1207.14MHz）和E6（1278.75MHz）。除了基于E1和E5頻段信號的高質量開放服務外，Galileo還是第一個為遇險用戶提供回傳鏈路的GNSS星座。

QZSS系統（日本）與IRNSS/NaVic系統（印度）

二者都是區域性的導航系統，QZSS全稱為準天頂衛星系統Quasi-Zenith Satellite System，目前共有四顆衛星，與GPS L1、L2、L5同頻；IRNSS/NaVic,印度區域導航衛星系統（Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS)、NAVIC，在軌數量8顆，與GPS L5同頻。

GNSS的區別

最直觀來講，它們擁有著不同的頻段與編碼方式：

針對主流的四大星座的對比：

此外，衛星的增強系統(SBAS)提供全局誤差校正，以提高GNSS應用的準確性、完整度、連續性與可用性。

GNSS測試

目前GNSS測試一方面主要是各類接收機本身的測試項目會用到，例如定位時間測試、捕獲時間測試、接收機靈敏度測試、觸發精度測試等。這類測試結構簡單，實現容易。

此外，伴隨著自動駕駛與相關行業的發展，針對高精度定位的測試也越發頻繁，包括V2X、車輛導航、車內娛樂系統測試等等，這部分測試大部分都需要在真實環境中聯調測試，無法進行單個模塊的性能測試，因此HIL（hardware in loop）硬件在環仿真測試方法逐漸成為主流，而這也對測試的需求、架構、精度等提出了更高的要求。

虹科Orolia GNSS模擬器是基于仿真的手段，結合軟件定義的高級架構，在GNSS仿真的基礎上更進一步，推出“依托軟件引擎，開放硬件平臺，高效開放的完成GNSS仿真”的Skydel GNSS仿真引擎方案，并借助該引擎推出適合于HIL測試的GSG-7與復雜場景與多實例測試的GSG-8。

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主要特點：

• 靈活的軟件定義平臺
• 超高動態
• 高級干擾和欺騙選項
• 強大的自動化
• 航空航天模擬
• 自定義波形

在本期文章中，我們介紹了GNSS技術的發展歷程、原理，并對不同類型的定位技術進行了介紹，在下一期文章中我們將繼續討論GNSS的優點與應用及其測試方法和解決方案。

參考：

① 北斗衛星導航系統網站

② First-TF：What is GNSS?

③ Fibocom：一文讀懂GNSS（全球導航衛星系統）

④ HEXAGON：What are Global Navigation Satellite Systems?