百度Apollo源码学习之定位系统介绍

image.png

什么是GNSS

GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）.

它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。

image.png

三边测量定位算法(Trilateration)

image.png

Trilateration（三边测量）是一种常用的定位算法：

已知三点位置 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3)
已知未知点 (x0, y0) 到三点距离 d1, d2, d3
以 d1, d2, d3 为半径作三个圆，根据毕达哥拉斯定理，得出交点即未知点的位置计算公式：

image.png

这样就可以算出来位置点的坐标.

在2维平面，一个固定点用已知的半径长确定一个圆，两个固定点用已知的半径确定两个点，三个固定点可以确定一个点。这个原理映射到3维，两个球相交确定一个圆，三个球相交确定两个点。远离地球的点舍弃，另一个点就是你的位置了。

但是实际上真正应用比这个复杂，首先就要想，原理上三颗卫星可以解决的问题问什么一定要4颗。因为前面的简单解释是已知卫星和接受机/使用GPS 的人）的距离。在实际应用中这距离是不知道的，这个距离需要去计算。就是常说的伪距（pseudorange）。

卫星定位的组成

卫星是有三个成分组成的分别是空间部分，控制部分和用户部分。

用户部分

image.png

只要能使用卫星定位的仪器都是用户部分，比如专业接收机，手机，智能手表等等能收到GNSS信号的都可以。

空间部分

image.png

最直接的就是天上的卫星了。这些卫星是在中轨道上运行，大概有20200km那么高。平均是6个平面，一个平面上有四个点，每个点上至少一个卫星，也就是说也许有多个。之前是是24颗卫星，这种安排基本上全球大部分地区可以看到至少4颗卫星。

控制部分

image.png

这个分为三个，1个主要控制站，1个备用控制站，11个地面的天线，16个地面的监测站。主要用于跟踪，监测，接收和传输一些数据和命令。监测站的主要功能是当卫星从头顶飞过时，收集数据（载波和伪距）然后穿给控制站。

GPS

GPS是70年代规划，80年代实施，90年代运营，耗资300亿美元，仅次于阿波罗登月计划和航天飞机计划的美国第三大航天工程。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。其次，也为民用、商用提供导航、定位、测速和授时等服务。1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

数据格式

GPS 上电后，每隔一定的时间就会返回一定格式的数据，数据格式为：

$信息类型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x

每行开头的字符都是'$'，接着是信息类型，后面是数据，以逗号分隔开。

GPS信息类型：

类型	解释
GPGSV	可见卫星信息
GPGLL	地理定位信息
GPRMC	推荐最小定位信息
GPVTG	地面速度信息
GPGGA	GPS定位信息
GPGSA	当前卫星信息

GPGSV 可视卫星状态

标准格式：

$GPGSV，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，…(4),(5)，(6)，(7)*hh(CR)(LF)

含义为：

(1)总的GSV语句电文数；2;
(2)当前GSV语句号:1;
(3)可视卫星总数:08;
(4)PRN码（伪随机噪声码）也可以认为是卫星编号
(5)仰角(00～90度):33度;
(6)方位角(000～359度):240度;
(7)信噪比(00～99dB):45dB(后面依次为第10，16，17号卫星的信息); *总和校验域hh 总和校验数:78; (CR)(LF)回车，换行。
　　
注：每条语句最多包括四颗卫星的信息，每颗卫星的信息有四个数据项，即：
(4)－卫星号，(5)－仰角，(6)－方位角，(7)－信噪比。

GPRMC 最小定位信息

标准格式：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

含义为：

<1> UTC 时间，hhmmss(时分秒)格式
<2> 定位状态，A=有效定位，V=无效定位
<3>纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)
<4> 纬度半球N(北半球)或S(南半球)
<5>经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)
<6> 经度半球E(东经)或W(西经)
<7>地面速率(000.0~999.9节，前面的0也将被传输)
<8>地面航向(000.0~359.9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输)
<9> UTC 日期，ddmmyy(日月年)格式
<10>磁偏角(000.0~180.0度，前面的0也将被传输)
<11> 磁偏角方向，E(东)或W(西)
<12>模式指示(仅NMEA01833.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效)

GPGGA GPS定位数据

标准格式：

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*xx<CR><LF>

含义为：

<1> UTC 时间，格式为hhmmss.sss；
<2> 纬度，格式为ddmm.mmmm(第一位是零也将传送)；
<3> 纬度半球，N 或S(北纬或南纬)
<4> 经度，格式为dddmm.mmmm(第一位零也将传送)；
<5> 经度半球，E 或W(东经或西经)
<6> 定位质量指示，0=定位无效，1=定位有效；
<7>使用卫星数量，从00到12(第一个零也将传送)
<8>水平精确度，0.5到99.9
<9>天线离海平面的高度，-9999.9到9999.9米M指单位米
<10>大地水准面高度，-9999.9到9999.9米M指单位米
<11>差分GPS数据期限(RTCMSC-104)，最后设立RTCM传送的秒数量
<12>差分参考基站标号，从0000到1023(首位0也将传送)。

GPVTG 地面速度信息

标准格式：

$GPVTG,<1>,T,<2>,M,<3>,N,<4>,K,<5>*hh

含义为：

<1> 以正北为参考基准的地面航向(000~359度，前面的0也将被传输)
<2> 以磁北为参考基准的地面航向(000~359度，前面的0也将被传输)
<3> 地面速率(000.0~999.9节，前面的0也将被传输)
<4> 地面速率(0000.0~1851.8公里/小时，前面的0也将被传输)
<5> 模式指示(仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效

GPGSA 当前卫星信息

标准格式：

$GPGSA,A,3,01,20,19,13,,,,,,,,,40.4,24.4,32.2*0A

北斗定位

参考

Trilateration三边测量定位算法
 GPS数据包格式+数据解析