GNSS 代表全球导航卫星系统。全球导航卫星系统(GNSS) 由一组以特定轨道绕地球运行的卫星组成。为了覆盖全球，估计一个星座需要18至30颗卫星。导航卫星向专门设计用于接收这些卫星信号并解码信号消息内容的无线电接收器提供轨道信息和准确的授时（和其他服务）。利用来自至少四颗“可见”卫星的消息内容，可以使用称为三边测量的数学过程来计算地球表面大部分或附近的位置。
GNSS 通常被称为 GPS（全球定位系统），但该缩写实际上特指美国星座。世界各国政府提供了多个 GNSS 星座，包括：
• 北斗 -- 中国
• 伽利略 -- 欧盟
• 格洛纳斯 -- 俄罗斯
• GPS（原 Navstar GPS）-- 美国
此外，还有一些其他系统仅设计用于服务特定区域，而不是提供全球服务。这些被称为 RNSS（区域导航卫星系统），包括：
• IRNSS -- 印度（也称为 NavIC）
• QZSS -- 日本
有几个 GNSS 卫星星座绕地球运行。每个都提供各个大陆地区的定位数据
如今，大多数 GNSS 接收器可以同时接收和解码来自多个卫星星座的信号。这意味着它们可以在全球范围内立即部署，并且可以比仅限于单个 GNSS 星座的接收器提供更广泛的用途。
美国全球定位系统（GPS）最初称为“Navstar GPS”，是第一个投入使用的卫星导航系统。全球定位系统 (GPS) 的发展始于 70 年代初，第一颗卫星于 1978 年发射。最初的用途是作为定位和定位系统用于军事目的，随后 GPS [部分] 向民用和商业开放使用。
提供全球覆盖的完整 24 颗卫星星座于 1993 年投入运行。从那时起，GPS 和其他 GNSS 星座的使用已成为大量商业、国防和民用应用和服务的代名词，这些应用和服务继续影响着全球经济的许多方面。我们的生活。
GNSS 有两个主要用途：
• 位置确定
• 定时
物体的位置是其纬度（距赤道的距离）、经度（距英国格林威治子午线的距离）以及平均海平面以上（或以下）的海拔。这就是所谓的“绝对位置”。当能够同时清晰地接收到四颗（或更多）GNSS卫星的信号时，就可以确定GNSS接收机的绝对位置。在动态应用中，例如移动车辆，当车辆移动时 GNSS 接收器的位置在一段时间内已知时，跟踪和导航应用就成为可能。
GNSS 卫星通过无线电波发送的信号中编码有极其准确的时间戳（和其他信息）。这是通过在每颗卫星上使用极其精确（且成本非常高）的原子钟来实现的。一旦 GNSS 接收器确定了其位置（这是一个要求），GNSS 接收器就会将其内部（不太精确）时钟与卫星时钟同步。通过保持同步，GNSS 接收器时钟被认为具有非常准确的定时源。许多行业现在严重依赖这些高精度 GNSS 接收器时钟，包括银行、证券交易所、电信公司和电力供应商。
使用 GNSS 星座来确定位置是基于三边测量原理。三边测量与三角测量的不同之处在于，它使用直接测量多个点的距离来确定位置，而三角测量则测量会聚的固定点的角度来确定位置。GNSS 接收器根据接收器与多个卫星的距离，使用三边测量来计算其在地球上的位置。
来自单个卫星的信号提供了一个圆形区域周围某个点的大致位置，该区域覆盖了地球表面的大约 35%，这是一个巨大的区域。请注意，该位置不在覆盖区域内，而是在周界内，因为到卫星的距离是已知长度，并且周界内的任何位置都将是不同的更短的距离。当可以看到第二颗卫星时，该卫星的覆盖范围将与第一颗卫星的覆盖范围重叠。这意味着 GNSS 接收器位于覆盖区域周边的两个交点之一。当第三颗卫星可以看出，所有三个覆盖区域周长的交点将是 GNSS 接收器的位置。即 GNSS 接收器在地球表面的精确二维（经度 - X 和纬度 - Y 坐标）位置。
当可以看到第四颗卫星时，可以使用 XY 坐标和第四颗卫星的附加“线”通过三角法确定海拔或高度（可以说，该距离越短，海拔越高）。
GNSS 接收器现在具有三维定位；即 XY 坐标加上高度/标高 (Z)。可见的卫星越多，就越容易以更高的精度确定位置。
描绘三边测量工作原理的图像。 GNSS 接收器的位置位于第一个卫星覆盖区域周边的某个位置。
当可以看到第二颗卫星时，该位置必须位于周界相交的两个点之一。
当第三颗卫星可见时，所有三个覆盖范围的交点就是二维位置，并且忽略剩余的交点。第四颗可见卫星可以计算海拔/高度。
GNSS 接收器只有知道以下条件才能执行三边测量并提供准确的位置：
• 卫星在哪里，
• 卫星发送信号的确切时间，以及
• 收到信号的确切时间
前两个要求很容易理解，因为卫星在其轨道上的位置和信号发送时间的信息包含在卫星发送的信号中。
第三个要求更加复杂，因为 GNSS 接收器内部的时钟精度相对较低。这是由于 GNSS 接收器的尺寸、重量、功耗和成本限制——为 GNSS 接收器配备像 GNSS 卫星中使用的原子钟一样的原子钟是不可行的。在测量以光速传播的信号的到达时间时，低成本接收器时钟根本不够准确 - 千分之一秒的时钟计时误差就相当于 300 公里的位置误差。
显然，需要一种解决接收器时钟精度问题的方法。幸运的是，基本的代数原理开始发挥作用：我们可以说在计算位置时需要解决四个未知数：纬度、经度、海拔和接收器时钟误差。这可以写成这样：
位置=纬度+经度+海拔+时钟误差
没有必要在数学上进一步深入研究这个问题，但只要说如果我们同时测量四个（或更多）不同卫星，我们就可以用四个未知数求解我们的位置方程。
GNSS 卫星位于约 20,000 公里的中地球轨道 (MEO) 上，这意味着它们大约每 12 小时绕地球一圈。由于需要始终看到至少四颗不同的卫星才能获得位置，因此经计算，一个星座中至少需要 24 颗卫星才能提供 24/7 的全球服务。
各个卫星被分组到轨道平面中，通常可以优化人口稠密地区的能见度。例如，这意味着无法保证北极和南极地区始终有至少四颗卫星可见。
一些 GNSS 星座在轨运行的卫星超过 24 颗。美国GPS系统目前有35颗。额外的卫星有些被指定为备用卫星以达到冗余目的，有些则用于补充特定轨道平面以提高服务可靠性和准确性。
从太空卫星发送到 GNSS 接收器的信号很复杂，并且结构和频率各不相同。使用不同的频率来提高信号可靠性、信号精度和系统冗余。例如，由于信号波长不同，某些信号频率更适合穿过树木。此外，通过同时使用多个频率，现代多频 GNSS 接收器可以通过测量信号在大气中传播的差异来提高定位精度，并有效地将其作为误差源消除。下面列出了一些 GNSS 频率示例：
• GPS：L1 – 1575.42 MHz、L2 – 1227.60 MHz 和 L5 – 1176.45 MHz
• GLONASS：L1 – 1602.0 MHz、L2 – 1246.0 MHz 和 L3 – 1202.025 MHz
• 伽利略：E1 – 1575.42 MHz、E5a – 1176.45 MHz、E5b – 1207.14 MHz 和 E6 – 1278.75 MHz
• 北斗：E1 – 1575.42 MHz、E2 – 1561.098 MHz、E5B – 1207.14 MHz 和 E6 – 1268.52 MHz
除了不同 GNSS 星座使用不同（有时重叠）的频率之外，信号信息还以许多不同的方式调制到载波频率上。详细介绍各种调制方法背后的数学知识超出了本文的范围，对于一般用户来说也没有必要了解，但作为示例，伽利略系统在其信号中使用了这些方法：
• E1-I CBOC (6,1,1/11)
• E1-Q 中银 (15,2.5)
• E5a AltBOC (15,10)
• E5b AltBOC (15.10)
• E6-I BPSK (5)
• E6-Q 中银 (10,5)
不同的调制方法旨在最大限度地提高解调过程中的信噪比，同时避免来自自身卫星和其他 GNSS 卫星的其他信号的干扰。
最后，应该指出的是，GNSS 卫星广播的一些信号被故意加密，以确保其使用受到限制。这些信号最常见的用例是军方使用的高精度信号。
通常来说，仅使用 GNSS 和商业级 GNSS 接收器即可提供约 2 至 5 m 半径内的定位精度。在车辆导航系统和电话定位等非关键应用中，5 m 以内可能是可以的。对于需要非常高的精度的应用，例如测量和地理空间应用，预计位置精度约为 10 毫米。
在导航中，准确性和精密度虽然看似相似，但并不是同一回事。准确度纯粹是导航系统估计自身与绝对位置的接近程度。另一方面，精度更多地与系统的可重复性或一致性有关。理想情况下，GNSS 接收器可提供准确度和精确度。
描绘准确度和精确度的图像 – ( A ) 既不准确也不精确； ( B ) 精确但不准确； ( C )准确但不精确； ( D ) 既精确又准确
有许多因素限制（或可能限制）GNSS 的使用。主要因素是 GNSS 接收器从各个卫星接收到的信号接收不完善。 GNSS 的恶意无线电干扰（称为欺骗或干扰）会破坏信号，使其无法连贯地接收，这需要采取战略方法来克服，这超出了本文的范围。
除了干扰和欺骗或其他意外情况之外，还有几种现象可能会导致信号接收不完美：
| 错误类型 | 范围 | 解释 |
GNSS 电离层误差
| ±5m | 信号传播延迟——高层大气中充满了电离太阳辐射产生的电子，这些电子可以“弯曲”并反射无线电波。 |
GNSS 轨道误差
| ±2.5m | 位置漂移——与时钟一样，卫星轨道位置的微小误差在用于地球上的位置计算时会变得更大。 |
GNSS 时钟误差
| ±2m | 定时漂移——由于距离的原因，卫星时钟精度中的微小定时误差在地球上会变成更大的误差。 |
GNSS 多路径误差
| ±1m | 由于建筑物和地形等物体的反射而导致信号复制。 |
GNSS 对流层误差
| ±0.5m | 信号传播延迟——低层大气比其他大气层密度大得多，可以折射无线电波。 |
GNSS 接收机噪声误差
| ±0.3m | GNSS 接收器硬件和软件引起的信号噪声会影响感知信号的准确性。 |
上述误差源可以大致归类为延迟信号的影响，从而导致信号接收时序问题。例如，当接收到反射信号而不是原始视线信号时，这种情况在密集的城市地区很常见，因为高层建筑形成了“城市峡谷”。当然，信号完全阻塞（例如在隧道、地下或水下）会导致所有卫星信号完全丢失。
高度复杂的现代 GNSS 接收器可以使用优雅的数学技术巧妙地处理其中一些问题，以确定遇到的错误类型并根据需要应用偏移或校正。其中一些功能正在进入成本较低的商品 GNSS 接收器，例如手机中的接收器。尽管有能力纠正一些信号接收错误，但当所有卫星信号完全丢失时，唯一真正的解决方案是采用惯性导航系统(INS) 来估计隧道内的位置计算。这称为航位推算。
除了提高 GNSS 接收器的性能之外，还采用了多种提高 GNSS 精度的方法。主要手段是安装地面基站作为 GNSS 的地球参考。基站和 GNSS 误差校正服务的目标是建立 GNSS 接收器相对于地球表面绝对位置的真实路径，或尽可能接近其真实路径。
基站接收GNSS信号，并利用先进的测量技术精确计算到可观测卫星的距离，从而计算出GNSS信号误差；例如，电离层延迟。每个基站进行的所有测量和纠错数据都会被记录并存档。该数据用于各种纠错解决方案，其中一些概述如下：
• 实时运动学 (RTK) – GNSS 接收器使用来自固定基站的数据广播来消除一系列错误。通过从 GNSS 接收器到两个或更多卫星以及从基站到相同卫星的不同测量来消除误差。 RTK 可能涉及更高的初始成本和校正服务许可，但可以提供约 10 毫米的精度。
• 卫星增强系统 (SBAS) – 地面参考站网络，根据多个参考位置的卫星观测，通过对地静止卫星提供卫星时钟、星历和信号传播校正。
• 精确单点定位 (PPP) –配备高精度 GNSS 接收器和天线的地面参考站网络，可连续跟踪 GNSS 信号和广播。然后将处理后的卫星轨道和时钟数据广播给 PPP 用户，以提供约 10 毫米的精度。
• 后处理运动学 (PPK) – 处理未校正（“原始”）导航数据以达到相当于甚至优于 RTK 精度的软件或在线服务。重要的是，PPK 适合不需要实时校正的应用；例如，无人机测量任务。
星基增强系统 (SBAS) 和精密单点定位 (PPP) 是提高全球导航卫星系统 (GNSS) 信号的准确性、完整性和可靠性的技术。 SBAS和PPP的主要目标是提供准确可靠的定位解决方案，可用于航空、航海、陆地测量和基于位置的服务等各种应用。
SBAS 是一种利用地面参考站、卫星链路和处理设施组成的网络来确定由各种大气和环境因素引起的 GNSS 误差的技术。然后，计算出的误差通过地球静止卫星广播给用户，使用户能够应用必要的 GNSS 校正因子并提高系统精度。 SBAS 旨在提供一系列服务，包括准确性、完整性、可用性和连续性，以满足各种应用（主要是飞机）的需求。如果 GNSS 信号不可靠，SBAS 还会向用户发出警告。这对于航空和航海等安全关键型应用尤其重要。
使用最广泛的SBAS系统是美国的“广域增强系统”（WAAS）、欧洲的“欧洲对地静止导航覆盖服务”（EGNOS）以及美国的“多功能卫星增强系统”（MSAS）。日本。 SBAS的主要局限性是单个系统仅覆盖特定区域，无法覆盖全球。
PPP是一种无需本地参考站或实时校正即可实现厘米级精度的技术。它使用配备高精度 GNSS 接收器和天线的地面参考站网络，持续跟踪来自 GNSS 卫星的信号。然后使用称为“整数模糊度解析”的技术处理这些参考站收集的数据，以确定每颗卫星的精确轨道和时钟信息。
一旦计算出精确的轨道和时钟信息，就会通过互联网或卫星链路等各种方式向 PPP 用户广播。需要额外的通信通道是使用 PPP 的主要限制。
PPP 在当地参考站不可用或不实用的应用中特别有用，例如测量、精准农业和大地测量。 PPP还可以与SBAS结合使用，进一步提高GNSS信号的精度。
PPP和SBAS可以结合使用，提供高精度定位解决方案。 PPP 可以提供基线解决方案，然后使用 SBAS 校正信息对其进行细化。这被称为 PPP-RTK，即实时运动学，它将 PPP 的高精度与 SBAS 提供的实时校正信息相结合。 PPP-RTK 在需要实时高精度定位但本地参考站不可用或不实用的应用中特别有用，使其适用于精准农业、建筑和机器控制等应用。
• 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 导航传感器
• 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 导航传感器
• 3DM-GQ7-GNSS/INS 双天线多频段RTK导航系统
• Advanced Navigation Spatial MEMS GNSS/INS 传感器
• Advanced Navigation Certus Evo MEMS GNSS/INS 传感器
• Advanced Navigation Spatial FOG Dual FOG GNSS/INS 传感器
