3、传感器基础（一）：GNSS全球导航卫星系统原理、误差源与差分技术
各位同学，今天我们聊聊GNSS。说白了，就是卫星导航。你手机里那个定位功能，飞机上那个显示经纬度的屏幕，背后都是这套系统在工作。
我个人习惯把GNSS比作一个「太空中的时钟网络」。它不直接告诉你「你在哪」，而是告诉你「你离每颗卫星有多远」。然后你的接收机再通过几何计算，反推出自己的位置。嗯，这个逻辑很重要，先记住。
3.1 GNSS的基本原理：三球交会
原理其实不复杂。你想想看，如果你知道一颗卫星的位置，又知道你和它的距离，那你就在以卫星为球心、距离为半径的球面上。如果同时知道三颗卫星的距离，三个球面相交，就能确定一个点——那就是你的位置。
但这里有个坑。接收机的时钟和卫星的时钟不同步，会有误差。所以实际上需要第四颗卫星来解算时间偏差。这就是为什么我们常说「至少四颗卫星才能定位」。
ρ = r + c·Δt + ε
其中ρ是伪距测量值，r是真实几何距离，c是光速，Δt是钟差，ε是其他误差总和。
我在项目中遇到过一件事。有一次在山区测试，明明天空视野开阔，但定位精度就是上不去。后来排查发现，是接收机内部晶振受温度影响漂移了。从那以后，我每次做高精度测试前，都会先让接收机预热十分钟。
3.2 GNSS的误差源：你躲不开的「敌人」
GNSS的误差来源很多。我把它归纳为三类：卫星端、传播路径端、接收机端。
| 误差类别 | 典型误差源 | 影响量级（米） |
|---|---|---|
| 卫星端 | 星历误差、卫星钟差 | 1~5 |
| 传播路径 | 电离层延迟、对流层延迟、多路径效应 | 2~20 |
| 接收机端 | 接收机钟差、噪声、天线相位中心偏差 | 0.5~3 |
这里面，电离层延迟是最头疼的。为什么？因为电离层中的自由电子会改变电磁波的传播速度。白天和晚上不一样，赤道和极地不一样，甚至太阳活动剧烈的时候，误差能翻倍。
3.3 差分技术：让精度从「米级」到「厘米级」
单点定位的精度，一般也就3~5米。对于飞行器自主着陆来说，这远远不够。怎么办？差分技术就是答案。
差分的思想很简单：在已知精确坐标的地面站上放一台接收机，它测量出来的误差，可以认为是附近区域共有的。把这个误差信息广播给飞行器上的接收机，飞行器就能修正自己的测量值。
我建议你记住三种常见的差分方式：
- 位置差分：地面站把位置误差发给你。简单，但要求你和地面站距离很近（几十公里内）。
- 伪距差分：地面站把每颗卫星的伪距误差发给你。精度更高，适用范围更广。
- 载波相位差分（RTK）：利用载波相位测量，精度可达厘米级。但需要解算整周模糊度，算法复杂一些。
3.4 知识体系框架
下面这张图，是我自己梳理的GNSS知识结构。你可以把它当作本章的「地图」。
3.5 实际应用中的注意事项
讲完理论，说点实际的。如果你真的要在飞行器上用GNSS做自主着陆导航，有几点你一定要注意：
- 卫星几何分布：不是卫星越多越好，而是卫星在天空中的分布越均匀越好。如果所有卫星都挤在一个方向，定位精度会大打折扣。我一般会看DOP值（精度衰减因子），小于2才算理想。
- 多路径效应：建筑物、地面、水面反射的信号会干扰直达信号。飞行器在低空着陆阶段，这个问题尤其严重。我曾经在机场跑道上测试，发现跑道旁边的金属围栏反射信号，导致定位出现周期性跳变。
- 更新率：普通GNSS接收机更新率一般是1Hz~10Hz。对于高速飞行的飞行器，这个速度不够。你需要用更高更新率的接收机，或者结合惯性导航系统（IMU）做组合导航。
好了，这一章就到这里。记住，GNSS不是万能的，但没有GNSS是万万不能的。下一章我们聊聊惯性导航，那又是另一套完全不同的思路。
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