衛星導航系統

全球導航衛星系統 (GNSS) 是一種通過接收來自導航衛星和偽衛星的信號在地球和空中進行定位和導航的系統。

GNSS 衛星星座的衛星通過無線電代碼傳達它們的確切位置和時間。 要確定位置，接收器必須同時接收來自至少四顆衛星的信號。 偽信號傳播時間在接收設備中測量（從衛星到接收天線，包括接收器的時鐘誤差），當前位置（包括高度）和時鐘誤差由此確定。

一個由 24 到 30 顆衛星組成的星座在大約 25,000 公里的軌道上使用。 這是為了確保接收器始終可以同時接收至少四顆衛星的信號（GPS 使用 6 到 12 顆衛星），即使地平線的視野并不完全清晰。

固定接收站可以提高定位精度。 它們向用戶傳輸校正信號 (DGPS)。 SAPOS 提供三種不同的信號服務，可實現小于 1 厘米的精度。

GPS 中使用的技術的詳細信息也可以在文章 GPS 技術和雙曲線導航中找到； 上面提到的其他系統在不同程度上與它不同。

衛星位置在不斷變化（在 GPS 中以近 3.9 公里/秒的速度變化），衛星與地球上某個點的距離也隨之變化。 但是，用戶可以根據衛星信號中包含的軌道數據（星歷表）計算任何時間點的衛星位置。 這些軌道數據（GPS 和伽利略是開普勒軌道元素，GLONASS 是坐標、速度和加速度矢量）由地面站定期比較（GPS 大約每兩小時一次）。

從衛星到觀察者的距離取決于信號傳播時間。 每顆衛星持續廣播其各自的代碼、當前時間及其各自的軌道數據。 對于 GPS 和 GLONASS，此序列每毫秒重復一次。 接收器使用鎖相環來處理由傳播時間和多普勒效應引起的時間和頻率偏移。

使用衛星和接收器中精確同步的時鐘，以這種方式測量的時移將對應于衛星信號的運行時間。 將傳輸時間乘以信號速度（大約光速）得出衛星到接收器的距離。

對于三米的路線精度，必須以十納秒的精度確定傳播時間。 然而，不是為接收器配備相應的高精度原子鐘，而是在計算位置時確定并考慮接收器時鐘中的誤差。 需要四顆衛星來確定四個未知數（三個空間坐標和接收器時鐘誤差）。 這導致具有四個未知數的四個方程。

確定的坐標與相應導航系統的坐標系有關； 對于 GPS，例如，WGS84。 確定的時間也由導航系統定義； 所以例如 例如，GPS 時間與世界標準時間 UTC 有幾秒的偏差，因為在 GPS 系統時間中不考慮閏秒。 自 1980 年以來大約每兩年添加一次，因此目前（截至 2017 年 1 月）偏差為 18 秒。

地理經度、地理緯度和定義的參考橢球上方的高度可以從空間坐標計算. 然而，需要注意的是，所使用的坐標系可能會偏離其他常見的坐標系，因此所確定的位置可能會與許多地圖（尤其是較舊的地圖）中的位置偏離高達數百米。 GNSS 確定的高度和“海平面以上”的高度可能與實際值（大地水準面）有幾米的偏差。

與三角測量一樣，衛星跨越的四面體的體積應盡可能大； 否則可實現的位置精度（精度稀釋，DOP）會降低。 如果衛星與接收器在同一水平面上，即從觀察者的角度來看它們似乎在一條線上，則無法確定位置。 然而，這樣的星座實際上從未發生過。

大氣改變了信號傳播時間。 與對流層不同，電離層的影響取決于頻率。 如果接收器評估衛星以不同頻率發送的信號（雙頻接收器），則可以部分校正。 最遲自 2018 年推出小米 8 智能手機以來，終端用戶還可以使用雙頻 GNSS 接收器。

電離層中自由電子數量的變化范圍會導致高達 30 m 的空間誤差。為了將其降低到 10 m 以下，GPS 衛星傳輸了六個描述電離層當前狀態的參數。 但是，不能以這種方式校正短期閃爍。

未校正測量值的位置精度（用戶范圍誤差，URE）：

與衛星相關的誤差，即衛星位置和時間測量，英文稱為空間信號-用戶距離誤差（SIS-URE），路徑傳播誤差稱為用戶等效距離誤差（UERE）。

當可以跟蹤超過四顆衛星時，精度會提高。 這種測量被稱為“超定定位”。 通過與參考測量值的比較，誤差隨后可以減少到幾厘米。 這種校正稱為差分全球導航衛星系統 (DGNSS)。 使用差分 GPS (DGPS)，如果參考數據在線可用，它會實時發生。

如果您還評估衛星信號的相位，也可以實現幾厘米的動態相對精度。

GNSS 衛星不僅發送無線電信號，還發送發射器的確切位置。 信號源的定位以及與已知位置的比較提供了有關傳播介質性質的信息。

使用無線電掩星，可以使用 GNSS 信號對地球大氣進行觀測，并使用 GNSS-R 對水面的反射率進行觀測。