【對講機的那點事】公網對講機是如何進行北鬥衛星定位的?

2020-12-24 騰訊網

隨著科技的發展公網對講機已經應用於各行各業,有的公網對講機自帶的GPS、北鬥定位是一個怎麼樣的原理,為什麼地面上這麼多設備只靠天上二十來個衛星就能實現準確定位,這麼多定位請求能處理得完嗎?這就涉及到全球衛星定位的原理啦,今天小編就來和大家來聊聊公網對講機是如何進行北鬥衛星定位的:

目前在天上運行的全球衛星定位系統有很多個,例如最早美國人發明的GPS,中國的北鬥、歐盟的伽利略、俄羅斯的格洛納斯、日本的準天頂,它們都是目前可以商用的全球衛星定位系統。儘管它們提供的功能可能有所差別,比如中國北鬥衛星系統提供了簡訊服務,但在衛星定位上,它們的本質原理都是共通的。

首先現在的全球衛星其實都是無源的,所謂的無源,那就是天上的衛星並不是實時追蹤你的公網對講機位置,然後告訴你在哪裡。因為在進行定位的時候,衛星通信是單向的,公網對講機只能被動接收來自衛星的信息,而不能與衛星進行交流。因此全球衛星導航所支持設備是沒有上限的,因為它不像基站需要雙向通信,只是充當一個「大喇叭」,廣播信息而已。當然,衛星電話就是另外一個概念了。

因此天上每一顆定位衛星都在幹一件事情,每時每刻都在不停地向地廣播信息,信息內容也很簡單,就是現在幾點了(t0),我在哪裡了(x0,y0,z0),就這四個要素。那麼手機SoC上集成的衛星信號接收器就能通過天線獲取到這部分信號內容。

電磁波在大氣中的傳播速度約等於光速c,那麼衛星發出的信息經過若干秒後被手機接收,設接收時間為t,那麼信息就在空中傳播了t-t0秒,那麼我們就可以算出衛星當前時刻與我們的手機距離S。

用小學知識就知道距離=速度×時間:S=cX(t-t0)

只知道距離是沒有用的,因為我們還沒有得知具體方位參數,這時候就利用上衛星發給我們的坐標信號(x0,y0,z0)。想像一下,將手機與衛星置身於三維坐標系中,手機在頂點A(x,y,z)上,衛星在頂點B(x0,y0,z0),那麼是如何計算點A到點B的距離呢?

初中數學知識告訴我們,算起來很簡單嘛,用下面公式計算就可以得出結果了。

兩者相等s=s0,就可以得到一個新方程:

裡面有(x,y,z)三個未知數,是三元一次方程,單靠1個方程式解不出來,那只要有3個這樣的方程應該就能解出來?是不是只要同一時間鎖定三個衛星,得到它們的廣播的數據就能確定公網對講機的位置呢?

理論上確實是這樣的,但精度上差別非常大。這是因為我們公網對講機的時鐘信號並不可靠,精度遠遠不如衛星上所使用的時鐘信號,由於光的傳播速度每秒高達300000km,一丁點時間誤差都會出現「失之毫釐謬以千裡」的問題,因此會在定位系統中引入一個鐘差的概念。

方程的改進就是將前面求得距離減去因鐘差帶來的誤差C×(Vti—Vt0),這樣就可以實現更精確的定位了。這個鐘差是未知的,所以為了確定鐘差,衛星定位實際上是需要同時鎖定4顆衛星。(Vti(i=0、1、2、3)分別為衛星0、衛星1、衛星2、衛星3的衛星鐘鐘差,由衛星星曆提供,已知;Vto為接收機的鐘差)

這就是為什麼我們公網對講機需要同時接收天上四顆衛星信號的原因,有了四個衛星提供的信息,就能夠組合出4個四元一次方程組,就可以解出公網對講機坐標(x,y,z)以及接收機的鐘差Vto了嗎?

這就完成了衛星定位最基本、最淺顯的原理,以上都是在非常理想的狀態下得出的,實際上還要複雜、考慮的更多,實際在各大全球衛星定位系統中都存在誤差問題,衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差,一個極小的誤差都會被放大很多倍從而導致整個定位無效,因此出現了很多修正誤差的方法:

比如說前面提及的鐘差問題以及衛星絕對位置,衛星的位置是由每個國家的專門機構進行維護,定期將推算和編制的衛星星曆、鐘差、導航電文和其他控制指令等信息通過注入站寫入衛星存儲系統,因此位置準確度可以達到釐米級別。同時衛星上的一般均採用高精度原子鐘進行計時,比如銫原子種要經過2000萬年才會多1秒誤差,所以衛星提供的(x0,y0,z0,t0)可以視為絕對可靠。

中國北鬥三號星曆,授時精度優於50ns

同時聯動更多的衛星:

因此如果在同一時間內,手機能夠搜索到儘量多的定位衛星就可以實現更加精確的定位,實際上手機上衛星信號接收機很聰明,在鎖定4顆以上衛星時,會按衛星的星座分布劃分成多個組別,每組四顆,從中挑選出誤差最小的一組用於解碼定位,這樣定位精度就比以前高多了。

中國北鬥三號一共由35個衛星組成

引入差分技術(Differential GPS):

為提高定位精度,普遍採用差分技術,建立基準站進行觀測,利用已知的基準站精確坐標,與觀測值進行比較,從而得出一修正數,並對外發布。接收機收到該修正數後,與自身的觀測值進行比較,消去大部分誤差,從而得到一個比較準確的位置,這種方式可以將定位精度提高到5米。

雙頻定位:

在面對更加複雜的誤差因素時候,如果公網對講機衛星定位模塊支持雙頻接收機,可以根據兩個不同頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分,從而提供更準確的定位信息。

A-GPS輔助定位:

為了提供更加快捷高效的定位服務,發展出了AGPS,也就是AssistGPS。它就是利用小區基站進行輔助定位,基站上帶有高精度定位儀器,自帶高精度時鐘減少時差,實時接收天上定位衛星信號,從而得知誤差大概是多少,只要通過行動網路下載星曆、誤差數據,就可以實現快速定位。

有了精確的位置信息,配合上高精度地圖軟體信息,搭載調度管理軟體,就能實時知道這個公網對講機的精準位置,這裡面可少不了全球定位衛星的功勞哦。

附:目前在軌運行的衛星定位系統工作頻段、編碼方式。

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