第2章 GNSS基础

GNSS基础：四大系统的架构、信号与观测值

各位同学，今天我们来聊聊GNSS的基础。说白了，GNSS就是一套“天基的定位系统”。你手机里能定位，靠的就是它。

我个人习惯把GNSS理解成“天上的灯塔”。这些灯塔在不停地广播自己的位置和时间。你只要收到四颗以上的信号，就能算出自己在哪里。嗯，道理很简单，但工程实现上，坑可不少。

目前全球有四大GNSS系统：美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗，以及欧盟的Galileo。我当年刚入行时，主要只跟GPS打交道。现在嘛，接收机基本都是多模的了。

系统	卫星数量（约）	轨道高度	轨道倾角	特点
GPS	31	20200 km	55°	最成熟，全球覆盖
北斗	30+	21500 km (MEO) + GEO/IGSO	55°	有地球静止轨道卫星，亚太地区优势明显
GLONASS	24	19100 km	64.8°	高纬度地区覆盖好，频分多址
Galileo	24	23222 km	56°	民用信号精度高，搜救功能

这里有个细节。GPS和北斗用的是码分多址（CDMA），所有卫星在同一频率上发信号，靠不同的伪随机码来区分。GLONASS用的是频分多址（FDMA），每颗卫星频率不同。我在做多模接收机时，GLONASS的射频前端设计就比GPS麻烦一些，因为要处理更宽的频带。

核心架构差异：北斗有独特的GEO（地球静止轨道）和IGSO（倾斜地球同步轨道）卫星。这意味着在亚太地区，你抬头就能看到几颗“不动”的卫星。这对提高城市峡谷中的可用性很有帮助。我曾在重庆做过测试，北斗的GEO卫星确实能缓解一些遮挡问题。

每颗GNSS卫星都在不停地发送信号。信号里包含三样东西：载波、测距码和导航电文。

载波：就是高频的正弦波。GPS的L1频率是1575.42 MHz，L2是1227.60 MHz。北斗的B1I是1561.098 MHz。频率越高，穿透性越差，但测距精度潜力越大。
测距码：也叫伪随机噪声码（PRN）。GPS的C/A码就是它。码速率是1.023 MHz，一个码片（chip）对应约300米。嗯，这个精度用来做定位，显然不够。
导航电文：包含卫星的星历（位置）、钟差、电离层参数等。接收机必须解调出电文，才知道卫星在哪。

为什么会用伪随机码？因为码的自相关特性很好。接收机本地生成一个同样的码，跟接收到的信号做相关，就能精确地找到信号到达的时间。说白了，就是“对表”。

个人经验：我建议初学者先搞懂GPS的L1 C/A码结构。它最简单，也最经典。北斗的B1I码结构稍微复杂一点，但原理相通。你只要吃透一个，其他系统就是换了个码表和频率而已。

伪距，就是卫星到接收机的“伪”距离。为什么叫“伪”？因为里面有误差。

伪距的计算公式很简单：

ρ = c × (t_r - t_s)

其中，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。但这两个时间，都不是绝对准确的。卫星钟有偏差，接收机钟也有偏差。所以算出来的距离，不是真距，是“伪距”。

伪距的精度，一般在米级。C/A码的码片宽度约300米，理论上测距精度能做到码片的1%左右，也就是3米。但实际受多路径、电离层等影响，通常在5-10米。

避坑指南：我曾经在项目里遇到过伪距跳变的问题。现象是定位结果突然跳了几十米。排查了很久，发现是接收机跟踪环路失锁后重新锁定，导致码相位计数出现了整周模糊。嗯，从那以后，我每次做伪距平滑时，都会加一个周跳检测。

载波相位，是GNSS高精度定位的核心。它的精度比伪距高两个数量级。

载波波长很短。GPS L1的波长约19厘米。如果能测量载波相位的整周数和小数部分，测距精度就能达到毫米级。但问题来了——你只能测到小数部分，整周数（N）是未知的。这就是“整周模糊度”。

载波相位的观测方程可以写成：

φ = ρ/λ + N + 误差项

其中，φ是载波相位观测值（以周为单位），ρ是几何距离，λ是波长，N是整周模糊度。

你想想看，如果N解错了，定位结果就会差几十厘米甚至几米。所以，高精度定位的核心工作之一，就是解算这个N。

关键区别：伪距是“绝对测量”，但精度低。载波相位是“相对测量”，精度高，但有整周模糊度。实际应用中，我们通常用伪距来辅助解算载波相位的模糊度。这叫“伪距-载波相位组合”。

下面这张图，是我自己总结的GNSS基础知识框架。你可以把它当作一个“地图”，随时回来对照。

这张图把四大系统、信号三要素、以及两种观测值串在了一起。你顺着箭头看，就能理解它们之间的关系。我个人习惯把这张图打印出来贴在工位上，每次遇到问题，先回来看看自己卡在哪一层。

好了，GNSS的基础就讲到这里。记住：伪距是“粗活”，载波相位是“细活”。搞高精度定位，就是想办法让“细活”变得可靠。