2、全球导航卫星系统(GNSS)基础：GNSS系统组成、定位原理、误差源分析

各位同学好，我是老张。今天咱们聊聊GNSS，也就是全球导航卫星系统。说实话，搞自动驾驶这些年，我见过太多人把GNSS想得太简单，觉得不就是个GPS嘛。其实这里面的门道，比你想象的多得多。

2.1 GNSS系统组成：天上飞的，地上跑的，手里拿的

GNSS系统说白了，就是三大部分：空间段、地面段、用户段。我习惯叫它们「天上的、地上的、手里的」。

2.1.1 空间段——卫星星座

目前全球有四大卫星导航系统：

• GPS（美国）：24颗卫星，全球覆盖最成熟。我记得2010年第一次做车载导航时，用的就是GPS L1频段，那时候精度也就10米左右。
• 北斗（中国）：目前有30多颗卫星，特色是短报文通信。我在项目里用过北斗+GPS双频，效果确实比单GPS好。
• GLONASS（俄罗斯）：24颗卫星，频率分多址。说实话，早期GLONASS的稳定性一般，但近几年改善不少。
• 伽利略（欧盟）：目前30颗左右，精度号称1米以内。我还没在实际量产车上用过，但测试过，确实不错。

2.1.2 地面段——监控站和主控站

地面段负责监控卫星状态、上传星历、修正时间。说白了，就是给卫星「擦屁股」的。卫星在天上飞，轨道会漂，时钟会偏，地面段就是干这个的。

2.1.3 用户段——接收机

这就是咱们车上的GNSS接收机。我建议选接收机时，重点关注三点：

• 频点支持：至少支持L1/L2双频，最好支持L5
• 通道数：至少72通道，越多越好
• 更新率：自动驾驶至少10Hz，最好20Hz

2.2 定位原理：三球交汇，没那么玄乎

GNSS定位原理，说白了就是「三球交汇」。你想想看，如果你知道卫星A离你多远，卫星B离你多远，卫星C离你多远，那你的位置不就是三个球的交点吗？

具体来说：

1. 卫星发射信号，包含卫星位置和发射时间
2. 接收机收到信号，记录到达时间
3. 时间差 × 光速 = 距离
4. 至少4颗卫星，解算出三维位置+时间

定位方程其实很简单：

// 伪距观测方程
ρ_i = sqrt((x - x_i)² + (y - y_i)² + (z - z_i)²) + c * Δt

其中：
ρ_i：第i颗卫星的伪距观测值
(x, y, z)：接收机位置（未知）
(x_i, y_i, z_i)：第i颗卫星位置（已知）
c：光速
Δt：接收机钟差（未知）

嗯，这里要注意，实际解算时用的是最小二乘法或者卡尔曼滤波。我习惯用卡尔曼滤波，因为可以结合IMU做组合导航，效果更好。

2.3 误差源分析：为什么GNSS不准？

这个问题我经常被问到。说白了，GNSS误差来源主要有这几类：

2.3.1 卫星端误差

• 星历误差：卫星轨道预报不准。我记得有一次项目测试，发现定位突然跳了5米，查了半天是星历更新延迟了。
• 卫星钟差：卫星上的原子钟也会漂移。虽然地面段会修正，但修正值本身也有误差。

2.3.2 传播路径误差

• 电离层延迟：信号穿过电离层时，速度会变慢。双频接收机可以消除这个误差，单频机只能靠模型修正。
• 对流层延迟：大气中的水汽、温度变化也会影响信号。这个误差在低仰角卫星上尤其明显。
• 多路径效应：信号反射后到达接收机，造成测距误差。这是城市峡谷中最头疼的问题。

2.3.3 接收机端误差

• 接收机噪声：硬件本身的噪声，一般0.5-1米
• 天线相位中心变化：天线接收信号的位置会随方向变化

2.4 知识体系总览

下面这张图是我自己画的，把GNSS的核心逻辑串起来了。你仔细看看，应该能一目了然。

2.5 实际项目中的经验总结

最后，我分享几个实际项目中的经验：

场景	常见问题	我的建议
城市峡谷	卫星遮挡严重，定位跳变	使用多系统融合，结合IMU做航位推算
隧道	完全无GNSS信号	提前预判，切换到IMU+轮速计模式
高架桥下	多路径效应严重	使用抗多路径天线，降低低仰角卫星权重
开阔道路	精度一般	使用RTK差分，精度可达厘米级