衛星導航或衛星導航系統是使用衛星提供自主地理定位的系統。覆蓋全球的衛星導航系統稱為全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System）。

截至2023年，有四個全球系統投入運行：美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、?中國的北斗衛星導航系統和歐盟的伽利略衛星定位系統（Galileo）。投入使用的區域衛星導航系統包括日本的準天頂衛星系統（QZSS），這是一種基于 GPS衛星的增強系統，旨在提高 GPS 的精度，計劃于 2023 年實現獨立于 GPS 的衛星導航，以及印度的區域導航衛星系統（NavIC）。上述導航系統都向國際社會提供了免費使用的服務。

GNSS系統比較

GNSS的落地信號功率在-125 dBm左右，不同國家的衛星可能有所不同。

定位原理

全球導航衛星系統（GNSS）的定位原理是基于三角測量和衛星信號傳輸的原理。以GPS系統為例，基本的GPS服務為用戶提供大約7.0米的精度（95%的時間，地球表面），接收器通過來自至少四顆衛星的信號組合來確定它們的位置和時間。GPS衛星攜帶原子鐘，可以提供極其精確的時間，時間信息被放置在衛星廣播的代碼中，使得接收器可以連續地確定信號被廣播的時間。

該信號還包含接收器用來計算衛星位置和進行精確定位所需的其他調整的數據。接收器使用信號接收時間和廣播時間之間的時間差來計算從接收器到衛星的距離。有了關于三顆衛星的距離和發送信號時衛星的位置信息，接收器可以計算自己的三維位置。為了根據這三個信號來計算距離，還需要與GPS同步的原子鐘，但可以通過對第四顆衛星進行測量來獲得接收機的時間信息。因此，接收器使用四顆衛星來計算緯度、經度、高度和時間。

如圖所示，衛星和用戶之間的距離ΔL（這個距離也被稱為“偽距”） ，衛星的坐標（x’,y’,z’）是已知的，用戶的坐標（x,y,z）是未知的。假設信號的傳輸速度基本上幾乎等同于光速c，衛星上的時間為t。用戶終端的時間為t’，那么，衛星和用戶之間的距離ΔL可以通過下面這個公式算出：

衛星信號從發射到被接收，需要經過大氣層。當其通過電離層時，將受到這一介質彌散特性的影響，使其信號的傳播路徑發生變化。在對流層，信號的折射與大氣壓力、溫度和濕度變化密切相關。在地表附近，由于各種建筑物、水面、山體的影響，衛星信號可能被反射或折射（多徑效應），信號疊加將會引起測量參考點位置的變化，從而對觀測量產生誤差。

此外，還可能存在系統相關的誤差，包括星歷誤差、時鐘誤差、相對論效應等。為了提高定位的精度，接收器還需要考慮和校正上述誤差，主要有以下幾種方案。 RTK定位

RTK（Real - time kinematic）稱為實時動態載波相位差分法，計算的是兩個測站的載波相位觀測值。基準站首先將自己獲得的載波相位觀測值及站點坐標，通過數據通信鏈路實時發送給周圍的接收機（移動站）。接收機使用動態差分定位的方法確定其相對基準站的坐標，然后根據基準站的坐標反算自己的瞬時坐標，精度可以達到厘米級甚至毫米級。

PPP定位

精密單點定位（Precise Point Positioning）可以計算出非常精確的位置，在良好條件下誤差小至幾厘米。PPP 是幾種相對復雜的 GNSS 位置細化技術的組合，利用地面監測站對衛星軌道、鐘差、載波偽距偏差等進行實時估計，并將修正數據通過互聯網或衛星鏈路播發給接收機，最終求解出衛星和接收機之間的準確距離。PPP的主要缺點是它需要更多的處理能力，需要外部星歷校正流，并且需要一些時間（最多數十分鐘）才能收斂到完全精度。

雙頻GNSS

GPS信號工作頻率分為了L1、L2、L5等幾個頻段，利用雙頻對電離層延度遲的不一樣，可以最大限度地減少電離層對電磁波信號的延遲的影響，從而有效改善定位精度(預計可達3-5米)。目前部分高端手機已采用雙頻定位。

未來發展趨勢

在全球通信生態系統中，衛星通信被認為是 5G-A和 6G 的重要組成部分。其中低軌衛星（LEO）星座具有衛星數量多、覆蓋性能好等特點，有望為各個行業開辟新的可能性，并逐步受到世界衛星導航領域的關注和青睞。

基于低軌衛星進行定位有如下好處：

衛星到用戶的距離較短，路徑損耗較低，具有較好的接收信號增益；

衛星仰角變化快，有利于精確單點定位 (PPP) 收斂時間；

可以傳輸更多的數據，例如用于提高定位精度的輔助信息；

可以通過更低的建造、發射和運營成本來平衡衛星成本；

能夠更快地部署新衛星或更新系統，以適應不斷變化的需求和技術。

目前，3GPP在5G Rel-17版本中將非地面網絡NTN納入了規范，以支持用戶設備通過高低軌衛星或高空平臺實現NR通信。3GPP在Rel-17和Rel-18中的NR NTN和IoT NTN規范要求支持NTN網絡的地面設備須具備GNSS能力，以預補償時間和頻率偏移。在大多數時間，GNSS可以提供了高度準確的位置和時間參考，然而GNSS系統可能存在被干擾（導致拒絕服務）和欺騙的情況。此外，如果使用改變的GNSS位置，則試圖通過接入信道連接到網絡的終端或一組終端也可能導致小區中所有其他用戶的服務被拒絕的情況發生。

基于上述原因，在即將開始的Rel-19 NTN evolution立項中有可能進一步增強對衛星定位的支持，包括增強RACH和時間/頻率同步，以確保用戶設備在無GNSS可用性或精度降低的情況下的服務可用性。 可以預見的是，未來的6G將是基于LEO的衛星互聯網時代，除了在全球范圍內提供廣域寬帶通信服務外，還將支持高精定位導航等功能，并通過與地面通信系統的一體化實現基于通信和位置的萬物互聯。 ? ?

審核編輯：黃飛

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