第三章：全球卫星导航系统(GNSS)原理

各位同学，今天我们来聊聊GNSS。说实话，这是整个多源融合导航的基石。没有它，后面很多融合算法都玩不转。我最早接触GNSS是在做无人机项目的时候，那时候对定位原理一知半解，结果飞着飞着就偏航了……嗯，从那以后我老老实实把原理啃了一遍。

3.1 四大卫星导航系统概览

目前全球有四大GNSS系统在运行。我习惯把它们比作四个“天基灯塔”：

系统	所属国家	卫星数量（约）	特点
GPS	美国	31颗	最成熟，民用广泛
北斗	中国	30颗	有短报文通信功能
GLONASS	俄罗斯	24颗	高纬度地区表现好
Galileo	欧盟	26颗	民用精度高，免费

你想想看，为什么我们要用多系统融合？说白了就是冗余和互补。我在城市峡谷里测试时，单GPS经常丢星，但加上北斗和GLONASS，定位就稳多了。每个系统都有自己的轨道设计和信号频率，多系统接收机可以同时跟踪更多卫星，定位精度和可靠性自然就上去了。

3.2 伪距观测：最基础的测距方式

伪距，顾名思义，就是“伪”的距离。为什么说它伪？因为里面包含了各种误差。原理其实很简单：卫星发射信号，接收机收到信号，记录时间差，乘以光速，就是距离。

公式长这样：

ρ = c × (t_r - t_s)

其中ρ是伪距，c是光速，t_r是接收机收到信号的时间，t_s是卫星发射信号的时间。但问题来了——卫星钟和接收机钟不同步。卫星钟是原子钟，精度极高；接收机钟就是个石英钟，便宜但漂移大。

我在项目中遇到过一件事：有一次用单频接收机做静态测量，伪距残差一直很大。排查了半天，发现是电离层延迟没处理好。伪距精度一般在米级，对于普通导航够用，但做高精度定位就不行了。

3.3 载波相位观测：厘米级的秘密

载波相位观测，这才是高精度定位的核心。伪距只能做到米级，但载波相位可以做到厘米甚至毫米级。为什么？因为载波的波长很短——GPS L1载波波长约19厘米，北斗B1I约19.5厘米。

原理是这样的：接收机测量卫星信号载波与本地振荡器产生的载波之间的相位差。这个相位差乘以波长，就是距离。但有个大问题——整周模糊度。

Φ = λ × N + λ × φ

Φ是载波相位观测值，λ是波长，N是整周模糊度（未知整数），φ是小数部分相位。你看，N是个未知整数，解出它才能得到精确距离。这就是RTK和PPP的核心难点。

3.4 单点定位：最简单的定位方式

单点定位（SPP），就是只用一台接收机，接收卫星信号，解算位置。精度一般在3-10米。原理就是解伪距观测方程组：

ρ_i = sqrt((x - x_i)² + (y - y_i)² + (z - z_i)²) + c × dt + ε_i

其中(x,y,z)是接收机位置，(x_i,y_i,z_i)是第i颗卫星位置，dt是接收机钟差，ε_i是各种误差。用最小二乘法或卡尔曼滤波就能解出来。

单点定位的误差来源很多：卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟、多路径效应……我刚开始做的时候，以为只要卫星多就能定位准，结果发现误差叠加起来能到十几米。嗯，这里要注意——单点定位只适合对精度要求不高的场景，比如车载导航、手机定位。

3.5 差分定位(RTK)：厘米级的实现

RTK（实时动态差分定位），说白了就是“你错我也错，但咱俩的错差不多”。原理很简单：基准站放在已知坐标点上，接收机算出各种误差，然后把这些误差改正数发给流动站。流动站用这些改正数修正自己的观测值，精度就能从米级提升到厘米级。

RTK的核心流程：

1. 基准站已知坐标，计算伪距和载波相位误差
2. 基准站通过数据链（电台或4G）发送改正数
3. 流动站接收改正数，修正自己的观测值
4. 流动站解算整周模糊度，得到厘米级位置

3.6 知识体系总览

下面这张图是我自己整理的GNSS知识框架，你看一眼就能明白整个体系是怎么串起来的：

你看这张图，从四大系统到两种观测值，再到两种定位方式，逻辑很清晰。伪距和载波相位是基础，单点定位和RTK是应用。我个人建议初学者先吃透伪距单点定位，再攻克载波相位RTK。一步一个脚印，别想一口吃成胖子。