1. 卫星导航系统概述：全球四大系统发展历程、系统组成、工作原理与性能对比
各位同学，大家好。我是你们的卫星导航工程师老张。今天咱们正式开讲《卫星导航定位原理与实战应用》的第一章。
说实话，每次讲这章我都挺感慨的。二十年前我刚入行那会儿，GPS还是绝对的霸主，北斗连区域服务都没建成。现在呢？四大系统并立，咱们的北斗已经全球组网了。这变化，真快。
好，不扯远了。这一章咱们把四大系统的家底儿摸清楚。你想想看，搞导航定位，连系统都不了解，那后面怎么玩？
1.1 全球四大卫星导航系统发展历程
1.4.1 GPS（美国）—— 老大哥的诞生
GPS，全称Global Positioning System。1973年启动，1994年建成。我记得刚工作时，用的还是GPS的Block IIA卫星，单点定位精度也就十几米。现在呢？Block III卫星都上天了，民用精度都到米级了。
GPS的发展有几个关键节点：
- 1973年：项目正式启动，最初叫NAVSTAR
- 1995年：宣布具备完全运行能力（FOC）
- 2000年：取消SA（选择可用性）干扰，民用精度从100米提升到10米左右
- 2018年：GPS III首颗卫星发射，信号更强、抗干扰更好
这里有个坑，我当年踩过。2000年之前，GPS的民用信号是故意加了误差的。如果你拿那个年代的数据做历史分析，一定要做SA误差修正。我曾经...嗯，有一回做项目，直接拿1998年的原始数据跑定位，结果偏差了上百米，查了半天才发现是SA搞的鬼。
1.4.2 GLONASS（俄罗斯）—— 命运多舛的竞争者
GLONASS，苏联时期1976年启动，1996年建成。但后来苏联解体，卫星维护跟不上，一度只剩6颗星在轨，基本瘫痪。
普京上台后，大力恢复GLONASS。2011年重新实现全球覆盖。现在有24颗在轨工作卫星。
GLONASS有个特点，它用的是频分多址（FDMA），跟GPS的码分多址（CDMA）不一样。这导致接收机设计更复杂。我做过一款支持GLONASS的板卡，FDMA信号的捕获比GPS慢不少，这是硬件特性决定的，没办法。
1.4.3 Galileo（欧盟）—— 纯民用定位系统
Galileo，欧盟搞的，1999年立项。初衷是不想受美国GPS控制。但进度嘛...一言难尽。原计划2008年建成，结果拖到2016年才宣布初始服务，2020年才基本建成。
Galileo最大的卖点是：它是纯民用系统。GPS和GLONASS都是军用优先，民用信号随时可能被降级。Galileo承诺永远免费、无限制民用。嗯，这话听听就好，真到战时谁说得准呢？
Galileo还有个亮点：搜救服务。它能把求救信号的位置精确到10米以内，比传统搜救系统强太多了。
1.4.4 北斗（中国）—— 后来居上的黑马
北斗，咱们自己的系统。三步走战略：
- 北斗一号（2000年）：双星定位，区域有源服务。说白了就是用户得主动发信号，卫星才能给你定位。精度一般，但解决了有无问题。
- 北斗二号（2012年）：区域无源服务。覆盖亚太，精度跟GPS差不多。我2013年参与过一个项目，用北斗二号做高精度定位，效果出乎意料地好。
- 北斗三号（2020年）：全球组网。30颗卫星，全球服务。而且北斗有独门绝技——短报文通信。你想想看，在没手机信号的地方，用北斗发个短信，多实用。
我个人习惯，做项目时能同时用北斗和GPS就尽量都用。多系统融合，定位可靠性高很多。
1.2 系统组成
四大系统的组成大同小异，都分三部分：空间段、地面段、用户段。咱们以北斗为例讲一下。
核心知识点：卫星导航系统 = 空间段（卫星）+ 地面段（监控站）+ 用户段（接收机）
1.2.1 空间段
就是天上的卫星。北斗三号有30颗：24颗中圆地球轨道（MEO）卫星、3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星、3颗地球静止轨道（GEO）卫星。
为什么这么配置？MEO负责全球覆盖，GEO和IGSO负责亚太区域增强。说白了，就是全球能用，亚太更好用。
1.2.2 地面段
包括主控站、注入站、监测站。主控站负责计算卫星轨道和钟差，注入站把数据上传给卫星，监测站负责跟踪卫星信号。
这里有个细节：地面段的数据更新频率决定了定位精度。GPS的地面段每2小时更新一次星历，北斗三号能做到每小时更新。更新越快，实时精度越高。
1.2.3 用户段
就是你的接收机。手机里的导航芯片、车载导航仪、测绘用的RTK接收机，都属于用户段。
1.3 工作原理
基本原理其实很简单：卫星告诉你它的位置和时间，你根据信号传播时间算出距离，然后解方程得到自己的位置。
具体来说：
- 卫星发射信号，包含星历（卫星位置）和钟差（时间误差）
- 接收机收到信号，记录到达时间
- 用到达时间减去发射时间，得到传播时间
- 传播时间乘以光速，得到卫星到接收机的距离
- 至少4颗卫星，解4个方程（x, y, z, t），得到三维位置和时间
为什么会这样？因为接收机时钟不准，所以时间t也是未知数。4个未知数，需要4个方程。
小技巧：实际项目中，我们通常用伪距观测值做定位。伪距就是加了钟差误差的距离。解算时用最小二乘法或卡尔曼滤波。我个人习惯用卡尔曼滤波，动态定位效果更好。
1.4 性能对比
下面这张表，是我根据实际测试数据整理的。你收藏好，面试、做项目都用得上。
| 指标 | GPS | GLONASS | Galileo | 北斗 |
|---|---|---|---|---|
| 卫星数量（在轨） | 31 | 24 | 26 | 30 |
| 轨道高度 | 20200 km | 19100 km | 23222 km | 21528 km |
| 民用定位精度 | 3-5 m | 5-8 m | 3-4 m | 3-5 m |
| 授时精度 | 20 ns | 30 ns | 20 ns | 20 ns |
| 多址方式 | CDMA | FDMA | CDMA | CDMA |
| 特色功能 | 无 | 无 | 搜救服务 | 短报文通信 |
从表里能看出：
- 精度方面，GPS和北斗差不多，Galileo略好一点。GLONASS因为FDMA的原因，精度稍差。
- 授时精度，四大系统都在20-30纳秒级别，够用。
- 特色功能，北斗的短报文是独一份。Galileo的搜救服务也不错。
注意：以上精度数据是在开阔环境下的典型值。城市峡谷、室内、隧道等场景，精度会大幅下降。我曾经在深圳福田区做过测试，高楼之间GPS精度掉到15米以上，北斗+GPS组合能保持在8米左右。多系统融合，真的很重要。
1.5 知识体系框架
下面这张图，是我自己画的。它把本章的核心逻辑串起来了。你一看就明白：四大系统怎么来的、由什么组成、怎么工作、性能如何。
这张图你看懂了吗？从上到下，先认识四大系统，再了解它们的组成，然后理解工作原理，最后对比性能。这就是本章的完整逻辑链。
好了，第一章就讲到这里。内容不少，但都是基础中的基础。你把这章吃透了，后面讲定位算法、误差分析、实战应用，你才能跟得上。
记住一句话：搞导航，先懂系统。系统都不了解，后面全是空中楼阁。
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