第4章全球导航卫星系统(GNSS)

4. 全球导航卫星系统(GNSS)：GPS/北斗/GLONASS原理、定位精度影响因素（多径、电离层）、RTK与差分GPS、GNSS与IMU的互补特性

各位同学，今天我们聊聊GNSS。说白了，就是天上的卫星给你报位置。GPS、北斗、GLONASS，名字不同，原理大同小异。我最早接触GPS还是十几年前，那时候模块又大又贵，精度也就几米。现在呢？手机里随便一个芯片都能收五六种信号。

但别高兴太早。卫星导航有个致命弱点——它太依赖环境了。你站在开阔地，定位很准。一进隧道，信号全丢。这就是为什么飞控系统里，GNSS必须和IMU配合着用。

GNSS定位的核心，是三边测量。卫星告诉你它的位置，再告诉你信号飞了多久。光速乘以时间，就是距离。三颗卫星画三个球，交点就是你的位置。

但有个坑——时间同步。卫星上的原子钟很准，但你的接收机时钟很烂。所以需要第四颗卫星来解算钟差。这就是为什么GPS至少需要4颗星才能定位。

核心公式：

伪距 = 光速 × (接收时间 - 发射时间) + 钟差 + 大气延迟 + 噪声

解算至少4个方程，得到x, y, z, t四个未知数。

我在项目中遇到过一个问题：明明收了12颗星，定位却飘得厉害。后来发现是有一颗卫星的星历数据过期了。嗯，星历这东西，每两小时更新一次，过期了就别用了。

GNSS的误差源很多。我列个表，大家一目了然。

多径效应，说白了就是信号撞到建筑物反射过来，比直射信号晚到。接收机一算，距离变长了。我在城市里飞无人机时，经常遇到定位突然跳几米的情况。查日志，发现就是多径。

避坑指南：我曾经在高层建筑附近做测试，GNSS定位误差达到了20米。后来发现是玻璃幕墙反射太强。解决办法：用扼流圈天线，或者干脆换个开阔场地。

电离层里有大量自由电子，会让电磁波速度变慢。白天太阳照射，电子密度高，延迟大。晚上就好很多。双频接收机可以消除这个误差——两个频率的延迟不同，一算就知道真实距离。

但单频接收机呢？只能用模型估算。我建议，如果你做高精度应用，至少用双频。否则电离层活跃的时候，误差能到15米。

普通GPS精度3-5米，够用吗？飞个航拍还行，但做自动着陆、精准农业，完全不够。这时候就需要差分技术。

差分GPS（DGPS）的原理很简单：地面放一个已知位置的基准站，它算出自己的测量误差，然后广播给附近的流动站。流动站用这个误差修正自己的测量值。精度能到1米以内。

RTK（实时动态差分）更进一步。它不光修正伪距，还修正载波相位。载波相位测量精度是毫米级的。RTK的精度能到厘米级。

RTK的关键：

我记得有一次做农业无人机项目，要求喷洒精度在5厘米以内。普通GPS根本不行。上了RTK后，航线偏差控制在2厘米。但RTK也有坑——一旦信号失锁，重新固定需要几十秒。所以飞控里一般会融合IMU，在RTK失锁时保持位置。

为什么飞控系统一定要把GNSS和IMU放在一起？因为它们俩的缺点正好互补。

你想想看，GNSS更新慢，但不会漂。IMU更新快，但时间长了就飘到天边去了。把两者用卡尔曼滤波融合，就能得到高频、无漂移的位置和姿态。

我习惯用松耦合方式：IMU做状态预测，GNSS做观测更新。这样即使GNSS短暂丢失，IMU也能维持几秒的精度。但如果你做的是自动驾驶，建议用紧耦合——直接把原始伪距和IMU数据一起解算，精度更高，但计算量也大。

个人经验：在GNSS信号差的环境（比如城市峡谷），我会降低GNSS的观测噪声协方差。这样滤波器会更信任IMU。等信号恢复后，再慢慢调回来。这个自适应策略，我在多个项目里验证过，效果不错。

下面这张图，是我梳理的GNSS与IMU融合的核心逻辑。大家看完应该能理解整个链条。

这张图把GNSS的误差源、差分技术、IMU特性，以及最终的卡尔曼滤波融合串起来了。大家重点关注中间那条线——GNSS和IMU的互补特性，是飞控系统设计的基石。

好了，这一章就到这里。记住一句话：GNSS给你位置，IMU给你姿态，卡尔曼滤波给你信心。