卫星导航定位技术基础知识

2026年5月6日R1.0版 鲜枣课堂 版权所有侵权必究 01 导航定位的基本概念 目录 02 GNSS系统（北斗和GPS) CONTENTS 高精度定位（RTK和PPP） 03 04 IMU惯性测量单元 PART01 导航定位的基本概念 导航定位的基本概念 口什么是导航定位 定位：确定目标在坐标系中的位置（经纬度、高度）。 ，导航：基于定位结果，结合地图与路径规划，引导载体从起点到终点 ·简单来说，就是解答两个问题：一1、“我在哪里”（定位）？一2、“怎么去目的地（导航）？ 导航定位的基本概念 导航定位的基本概念 口导航定位的重要价值 ·空间坐标信息和路径规划信息是重要的基础数据，影响民生、经济、产业、安全、国防等所有领域 ·所有移动互联网、物联网、大数据应用，都需要位置信息做赋能。·高速发展的人工智能（尤其是具身智能），离不开准确的空间位置信息数据·导航定位已经成为数字社会的基础公共服务，像水电一样不可或缺。，数学世界和物理世界之间进行映射，离不开导航定位提供的支撑 导航定位的基本概念 口导航定位的技术演变（古代：原始目视定位阶段） 、，依靠天象（日月星辰）、地标、罗盘指南针、河流山川辨方向、定路线·特点：无精确坐标，只能粗略定向、经验认路，受天气、环境影响极大。 导航定位的基本概念 口导航定位的技术演变（近代：地面人工测绘定位阶段） ·核心：地图测绘＋里程计＋路标对照。·陆地靠纸质地图、路牌、里程估算；航海靠六分仪、天文定位·特点：人工判读、误差大、无法实时动态定位，只能静态规划路线。 导航定位的基本概念 口导航定位的技术演变（20世纪中期：无线电陆基定位阶段） ·出现陆基无线电导航系统，不靠卫星，靠地面电台。·代表：罗兰、塔康、奥米加等无线电导航。·原理：利用地面无线电台测距、测角实现定位。：特点：覆盖有限、精度一般，受地形干扰，只能服务航空、航海专业场景，无法民用普及 导航定位的基本概念 口导航定位的技术演变（1970一2000年：卫星导航萌芽时代) ．美国GPS诞生，全球首个全天候卫星定位系统。·初期仅军用，后开放民用，开启全民卫星导航时代。：突破：全球覆盖、全天候、全天时，不用依赖地面地标。·局限：技术使用受美国限制，民用精度米级，高楼、室内容易失准。 导航定位的基本概念 口导航定位的技术演变（2000一2015年：多系统并存+大众普及阶段) 更多GNSS系统崛起：俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略、中国北斗逐步组网·进入多星融合定位：手机同时接收北斗、GPS、格洛纳斯。·技术升级：基站辅助定位A-GPS，冷启动更快、城市定位更稳。·应用爆发：手机地图、网约车、外卖、骑行导航全面普及。 导航定位的基本概念 口导航定位的技术演变（2015年一现在：高精度差分定位+全场景融合阶段 智能驾驶、具身智能高速发展，对定位精度和覆盖能力提出了更高的要求，进入高精度定位时代。 ·出现RTK、PPP等技术，地基增强系统高速发展，定位精度从米级升级到分米级、厘米级。 ·定位技术全面融合（卫星+基站+Wi-Fi+惯性+视觉SLAM）： 一户外：GNSS+RTK+PPP高精定位;一城市峡谷/高架：基站+IMU惯性导航补盲；一室内/地下：Wi-Fi+蓝牙+UWB+视觉定位。 导航定位的基本概念 口导航定位的发展趋势 ·方式：人工目视→无线电陆基→单一卫星→多星融合→全场景多源融合;：精度：粗略估位→百米级→十米级→米级→分米级→厘米级：范围：局部区域→全球覆盖→室内外无缝全覆盖；：应用：军用/航海→大众民生→行业高精智能应用。 导航定位的基本概念 口定位技术的分类 ·卫星定位导航（GNSS）：利用卫星进行定位。包括普通单点定位、RTK定位、PPP定位。：蜂窝基站定位（LBS）：2G/3G/4G/5G基站三角测距、小区识别定位·无线短距离定位：Wi-Fi、蓝牙、UWB（超宽带）、ZigBee。·惯性定位（INS）：陀螺仪+加速度计，不靠外部信号，航迹推算。：视觉/激光定位：摄像头、激光雷达SLAM、图像匹配定位。·地磁/声波定位：利用地球地磁指纹、超声波测距定位 导航定位的基本概念 口定位技术的其它分类方式 ·按覆盖场景：室内定位、室外定位、融合定位。 ·按精度等级：粗精度（百米级）、普通精度（米级）、高精度（分米／厘米级）、超高精度（毫米级）。 ·按解算方式：绝对定位、相对定位、差分定位。 ：按组网方式：天基定位、陆基定位、自组网定位。 GNSS系统(北斗和GPS) 口 GNSS的定义 GNSS，也就是Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统 ：GNSS是空基无线电导航定位系统，能在地球表面或近地空间的任何地点，为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息。GNSS包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。 GNSS系统 (北斗和GPS) 口 GNSS的类别 全球卫星导航系统国际委员会公布的全球4大卫星导航系统供应商，包括： ·中国—一北斗卫星导航系统（BDS，BeiDou Navigation Satellite System)· 美国一一全球定位系统（GPS，Global Positioning System)· 俄罗斯一一格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS，Global Navigation Satellite System)·欧盟一一伽利略卫星导航系统（GALILEO，Galileo satellite navigation system) GNSS系统 (北斗和GPS) 口 GNSS的类别 除了全球性的卫星系统之外，GNSS还包括一些区域性的系统（例如日本的准天顶系统QZSS和印度的IRNSS）以及增强系统（例如美国的WAAS、日本的MSAS和欧盟的EGNOS等）。 ，增强系统，是基于全球或区域系统的辅助系统，可以满足更多场景需求 GNSS系统 (E北斗和GPS) 口 GNSS的组成 ：空间段（卫星星座）：在地球轨道上运行，不断地向地面发射带有时间和位置信息的信号。 ：用户段（用户设备）：接收到来自多个卫星的信号，并利用信号传播的时间差来计算出自己的信息。：控制段：包括地面站，负责监控卫星状态、上传数据、调整卫星轨道和时钟误差等，确保系统正常运行。 GNSS系统(北斗和GPS) 口 GNSS的功能 GNSS，可以为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息，简称PVT（Position、Velocity and Time）。 ·北斗系统（BDS）还有一个独特的功能，那就是短报文（也就是文字信息）。 PositionVelocityTime GNSS系统(北斗和GPS) 口 GNSS的市场规模 ·根据Fortune BusinessInsights预测，2025年，全球GNSS市场规模约为3.35万亿美元（CAGR10.77%2026-2034)。 ：根据QYResearch预测，2025年，全球GNSS市场规模约为2.92万亿美元（CAGR9.5%，2025-2031）。 ：根据欧盟空间计划署EUSPA预测，全球GNSS下游市场的设备和服务收入将从2021年的1990亿欧元增长到2031年的4920亿欧元，复合年增长率为9.2%。GNSS接收器出货量将由2021年的18亿台/年增至2031年的25亿台/每年GNSS总安装数将从2021年的65亿台增至2031年的106亿台 ·主要驱动力来自：智能驾驶与车联网、消费电子、行业应用（精准农业、无人机、测绘、物流）。 口 GNSS的工作原理 ·地球表面的任何一个位置，都有它的三维坐标，也就是经度、纬度和高程。它头顶上的GNSS卫星，也有自己的三维坐标。 ·卫星和用户之间的距离L（这个距离也被称为“伪距”），是： 卫星可以给用户终端发信号，信号的传输速度基本上几乎等同于光速C。而卫星上面有精度极高的原子钟，所以知道自己的时间是t。假设用户终端的时间是t’，那么，卫星和用户之间的距离^L，又可以通过下面这个公式算出： 一个用户终端要想解算出自己的准确位置，必须要有至少4颗卫星（组成4个四元方程）。 (北斗和GPS)GNSS系统 口 GNSS的衡量指标 >精度 衡量定位的准确性，一般分为亚米级、米级、分米级、厘米级、毫米级。 >速度 ：从启动定位设备到首次正常定位所需的时间，也称为TTFF（Time to First Fix）。 > 灵敏度 GNSS系统 (北斗和GPS) 口 GNSS的误差来源 · 影响GNSS定位精度的主要原因是误差。误差既来自系统的内部，也来自外部。 通道误差、卫星钟误差、星历误差、内部噪声误差等等。 ：有些误差是可以完全消除的，也有些是无法消除或只能部分消除的。消除水平的高低，直接决定了系统的准确性和可靠性。 (北斗和GPS)GNSS系统 GNSS系统(北斗和GPS) 口什么是北斗 ，北斗旨在为全球用户提供全天候、高精度的定位、导航和授时服务。 ：北斗具备与其他全球导航卫星系统（如GPS、GLONASS和Galileo）兼容和互操作的能力。 GNSS系统 (北斗和GPS) 口北斗系统的发展阶段 ·北斗一号（BDS-1）：中国的第一代卫星导航定位系统，于2000年建成，主要服务于中国本土用户。 ·北斗二号（BDS-2）：第二代系统，2007年开始发射卫星，2012年形成区域服务能力，主要覆盖亚太地区。：北斗三号（BDS-3）：第三代系统，2017年开始发射卫星，2020年6月23日星座部署全面完成，正式具备全球服务能力。 GNSS系统 (北斗和GPS) 口北斗系统的卫星数量 北斗卫星导航系统目前在轨卫星数量为50颗，包括：（））三 星和3颗地球静止轨道（GEO）卫星，实现了全球范围内的导航定位服务。：试验卫星：北斗三号系统在正式开展星座组网之前，还发射了5颗试验卫星进行技术验证。：北斗二号系统：部分仍在工作的北斗二号卫星。 GNSS系统(北斗和GPS) GNSS系统 (北斗和GPS) 口北斗系统的组成 北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成 空间段：由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星等组成。·用户段：包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务等。 GNSS系统 (北斗和GPS) 口北斗系统的优势 ·采用高、中、低三种轨道卫星组成混合星座，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区服务优势更为明显; ：提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度， ：具备基本导航、短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等多种服务能力。 GNSS系统 (北斗和GPS) 口北斗系统的发展 ·在重点行业领域，北斗已在交通运输、公安、能源、应急、自然资源等领域得到广泛应用。 ·在大众消费领域，北斗凭借智能手机、可穿戴设备、新能源汽车等海量用户基础，该领域将成北斗规模应用的主战场。·在国际市场，北斗系统全面进入民航、海事、应急搜救等国际组织的标准体系，并出口至140余个国家。 GNSS系统(北斗和GPS) GNSS系统 (北斗和GPS) 口什么是GPS 全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS），是美国研制发射的一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统。 ，GPS包括绕地球运行的24颗卫星，它们均匀地分布在6个轨道上。每颗卫星距地面约1.7万干米 ：GPS提供两种定位服务，即精密定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS）。PPS是一种加密服务，主要使用对象是军事和其他授权政府用户。SPS对用户免费，因此被全球数十亿民用和商用用户广泛使用。 GNSS系统(北斗和GPS) 口 GPS系统的发展阶段 GPS BlockI：GPS的