第二章 全球导航卫星系统（GNSS）基础

做组合导航这些年，我经常被问到同一个问题：GNSS到底是怎么知道我在哪的？

说实话，我刚入行时也觉得这玩意儿挺玄乎。天上几颗卫星，地上一个接收机，就能算出厘米级的位置？后来真正啃完原理，才发现背后的逻辑其实很清晰。今天我就带你把这层窗户纸捅破。

2.1 GNSS系统组成

目前全球有四大卫星导航系统在运行。我习惯把它们比作四个"星座家族"：

系统	国家/地区	卫星数量（约）	特点
GPS	美国	31颗	最成熟，民用普及度最高
北斗	中国	30颗	有短报文通信能力
GLONASS	俄罗斯	24颗	频分多址，抗干扰强
Galileo	欧盟	26颗	民用信号精度高

每个系统都由三部分组成：空间段（卫星）、地面段（监控站）和用户段（接收机）。

我在项目里最常用的组合是GPS+北斗。为什么？因为在中国区域，北斗的可见卫星数多，两者互补效果很好。你想想看，多一颗卫星，定位的几何构型就更优，精度自然就上去了。

2.2 卫星定位基本原理

定位原理其实就一句话：通过测量卫星到接收机的距离，解算位置。

具体怎么算？我画个图你就明白了。

数学上，这是个四元方程组：

ρ₁ = √[(x₁ - x)² + (y₁ - y)² + (z₁ - z)²] + c·Δt
ρ₂ = √[(x₂ - x)² + (y₂ - y)² + (z₂ - z)²] + c·Δt
ρ₃ = √[(x₃ - x)² + (y₃ - y)² + (z₃ - z)²] + c·Δt
ρ₄ = √[(x₄ - x)² + (y₄ - y)² + (z₄ - z)²] + c·Δt

其中ρ是伪距测量值，(x,y,z)是接收机位置，c是光速，Δt是钟差。四个方程解四个未知数，刚好。

2.3 伪距与载波相位观测值

这是GNSS里最核心的两个观测值。我分别说说。

2.3.1 伪距观测值

伪距，说白了就是"有误差的距离"。接收机通过测量信号从卫星到接收机的传播时间，乘以光速，得到距离。

为什么叫"伪"？因为这里面有各种误差：卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟、对流层延迟……

伪距的精度一般在米级。我做过测试，单点定位的伪距精度大概3-5米。够用吗？导航够用，但做RTK厘米级定位，远远不够。

2.3.2 载波相位观测值

载波相位就厉害了。它测量的是卫星发射的载波信号到达接收机时的相位差。

GPS的L1载波频率是1575.42MHz，波长约19厘米。相位测量精度可以做到波长的1%甚至更高，也就是毫米级。

但有个大问题——整周模糊度。相位测量只能测到不足一周的小数部分，整周数N是未知的。

载波相位的观测方程长这样：

Φ = ρ + c·(dt - dT) + λ·N + I + T + ε

其中Φ是载波相位观测值，λ是波长，N是整周模糊度，I是电离层延迟，T是对流层延迟，ε是噪声。

2.4 导航电文结构

导航电文，就是卫星广播给接收机的"自我介绍"。里面包含了卫星的轨道参数、钟差参数、健康状态等信息。

以GPS为例，导航电文的结构是这样的：

层级	长度	内容
超帧	25帧 × 1500bit = 37500bit	完整星历+历书，12.5分钟播完
帧	5子帧 × 300bit = 1500bit	30秒播完一帧
子帧	10字 × 30bit = 300bit	6秒播完一个子帧
字	30bit	0.6秒播完一个字

子帧1-3播的是该卫星的星历（精确轨道参数），子帧4-5播的是历书（所有卫星的概略轨道）。

我记得刚做接收机开发时，为了解析导航电文，对着协议看了整整三天。后来发现，其实核心就两个东西：星历用于定位，历书用于搜星。

北斗的导航电文结构和GPS类似，但帧格式略有不同。北斗的D1导航电文速率是50bps，D2是500bps。速率越高，播完一轮的时间越短，这也是北斗的一个优势。

好了，GNSS基础就聊到这儿。这些概念是后面理解RTK和INS融合的基石。尤其是伪距和载波相位，后面讲差分定位时会反复用到。

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