第4章卫星导航基础

4. 卫星导航基础：GPS/北斗信号结构、伪距与载波相位观测、单点定位与RTK定位原理

各位同学，今天我们来聊聊卫星导航的底层逻辑。说实话，很多做组合导航的工程师，对卫星信号的理解停留在「能定位就行」的层面。但真正遇到多径、周跳、信号遮挡这些坑时，你会发现——不懂信号结构，你连问题出在哪都找不到。

我个人习惯把卫星导航拆成三块来看：信号长什么样、我们能测到什么、怎么算出位置。咱们一个一个说。

卫星信号说白了就是电磁波，但它不是裸奔的。GPS和北斗都用了码分多址（CDMA）技术。什么意思？就是所有卫星都在同一个频率上喊话，但每颗卫星有自己的「暗号」——伪随机码。

GPS的L1频段（1575.42 MHz）上，调制着两种码：C/A码（粗捕获码）和P(Y)码（精密码）。C/A码是民用的，码速率1.023 MHz，周期1毫秒。北斗的B1I信号类似，码速率2.046 MHz。嗯，这里要注意：北斗的码长更长，捕获难度其实比GPS大一点。

核心概念：卫星信号 = 载波 + 测距码 + 导航电文

我在项目中遇到过一件事：某次测试，定位精度突然从厘米级掉到米级。排查了半天，发现是接收机跟踪的卫星信号从L1C/A跳到了L2C，而我们的算法没做频间偏差补偿。说白了，不同频段的信号经过硬件时，延迟是不一样的。这个坑，很多新手会踩。

接收机能给我们两种观测值：伪距和载波相位。你可以把它们想象成两把尺子。

伪距：用测距码来量。码元宽度约300米（C/A码），所以伪距的噪声在米级。优点是没有整周模糊度，直接就能用。缺点是精度低。

载波相位：用载波波长来量。L1波长19厘米，精度能到毫米级。但问题来了——接收机只能测到不足一整周的小数部分，整周数N是未知的。这就是著名的整周模糊度问题。

我的经验：伪距和载波相位要配合使用。伪距提供初始位置，载波相位提供精细修正。就像你用卷尺量房间长度，先用米尺粗测，再用游标卡尺精读。

伪距观测方程长这样：

ρ = r + c*(dt_r - dt_s) + I + T + ε

其中ρ是伪距观测值，r是真实几何距离，dt_r和dt_s是接收机和卫星钟差，I和T是电离层和对流层延迟，ε是噪声。

载波相位观测方程：

φ = (r + c*(dt_r - dt_s) - I + T)/λ + N + ε

注意电离层项符号相反！这是因为载波相位受电离层影响是「超前」的，而伪距是「延迟」的。这个细节，做双频组合时特别重要。

单点定位（SPP），就是只用一台接收机，解算自己的位置。原理很简单：四颗卫星，四个方程，解四个未知数（x,y,z,dt_r）。

但实际做起来，你会发现精度只有5-10米。为什么？因为误差源太多了：

我曾经在立交桥下做测试，单点定位结果直接飘了30米。后来分析数据发现，有颗卫星的信号被桥体反射了三次才到天线。嗯，多径是城市环境下的头号杀手。

避坑指南：单点定位时，一定要检查卫星的仰角和信噪比。我习惯把仰角低于10度、信噪比低于35 dB-Hz的卫星直接剔除。虽然卫星少了，但定位结果反而更稳。

RTK（实时动态差分定位）的原理，说白了就是「你错我也错，咱俩一减就对了」。

基准站放在已知坐标点上，它算出自己的伪距/载波相位观测值与真实值的差异，然后通过数据链发给流动站。流动站用这个差分修正，就能把公共误差（卫星钟差、电离层、对流层）几乎全部消除。

RTK的核心是整周模糊度固定。一旦固定成功，定位精度就能到厘米级。固定失败的话，就只能用浮点解，精度掉到分米甚至米级。

我画了一张图，帮你理解RTK的流程：

RTK的关键技术点有三个：

我的建议：做RTK时，一定要关注Ratio值（最优解与次优解的比值）。我一般要求Ratio > 3.0才认为固定成功。如果Ratio在2.0-3.0之间，我会用部分固定策略——只固定那些置信度高的卫星，剩下的用浮点解。

最后说一句，RTK不是万能的。在城市峡谷、隧道、高架桥下，卫星信号被遮挡，RTK很容易失锁。这时候就需要组合导航来救场了——这也是我们这门课后面要讲的重点。

好了，卫星导航的基础就聊到这儿。记住：信号结构决定你能测到什么，观测值决定你能算多准，定位算法决定你能用多稳。这三层，一层都不能少。

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