4. 全球导航卫星系统（GNSS）原理：GPS/北斗/GLONASS/Galileo概述、伪距与载波相位观测、单点定位与差分定位
4.1 四大系统，各有千秋
做多传感融合这些年，我打交道最多的就是GNSS。说白了，GNSS就是让接收机知道自己在地球上哪儿的系统。目前全球有四大系统：美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo。
GPS 是最老的，1978年就开始干活了。我刚开始做导航那会儿，能用的只有GPS。它的轨道高度约20200公里，有31颗卫星在轨。信号是CDMA的，L1频段1575.42MHz。优点是稳定，缺点是容易受干扰。
北斗 是后起之秀。我个人特别喜欢它的短报文功能——能发短信，这在野外救援时太有用了。北斗采用混合星座，有GEO、IGSO、MEO三种轨道。GEO卫星在赤道上空静止，覆盖亚太地区特别好。嗯，这里要注意：北斗三号已经全球组网，2020年就正式开通了。
GLONASS 是俄罗斯的，跟GPS不太一样。它用FDMA，每颗卫星频率不同。轨道高度19100公里，倾角64.8度。在高纬度地区，GLONASS的覆盖比GPS好。我在北极圈附近做过测试，确实如此。
Galileo 是欧盟的，2016年才开始提供初始服务。它的特点是精度高，免费信号也能到米级。轨道高度23222公里，比GPS高。Galileo的搜救功能很强大，能反向确认求救信号已收到。
| 系统 | 国家 | 卫星数 | 轨道高度 | 信号体制 |
|---|---|---|---|---|
| GPS | 美国 | 31 | 20200 km | CDMA |
| 北斗 | 中国 | 30+ | 混合轨道 | CDMA |
| GLONASS | 俄罗斯 | 24 | 19100 km | FDMA |
| Galileo | 欧盟 | 26 | 23222 km | CDMA |
4.2 伪距观测：测距的基本功
伪距是什么？就是卫星到接收机的距离，但带误差。你想想看，卫星发信号，接收机收信号，时间差乘以光速就是距离。但卫星钟和接收机钟不同步，所以叫「伪」距。
伪距观测方程长这样：
ρ = r + c*(δt_u - δt_s) + I + T + ε其中：
- ρ 是伪距观测值
- r 是真实几何距离
- c 是光速
- δt_u 是接收机钟差
- δt_s 是卫星钟差
- I 是电离层延迟
- T 是对流层延迟
- ε 是测量噪声
我遇到过最头疼的事，就是电离层延迟。白天和晚上能差好几米。单频接收机只能用模型修正，效果一般。双频接收机可以直接消除电离层影响，好很多。
4.3 载波相位观测：高精度的秘密武器
载波相位观测，说白了就是测卫星信号的相位差。精度能到毫米级，比伪距高两个数量级。为什么会这样？因为载波波长短啊——L1波长19cm，L2波长24cm。测相位比测码容易得多。
但载波相位有个大问题：整周模糊度。你只能测到小数部分，整数部分不知道。就像你只知道钟表指针的位置，但不知道是几点。
载波相位方程：
φ = r/λ + N + (δt_u - δt_s)*c/λ - I/λ + T/λ + εN就是整周模糊度，是个整数。解出N的过程叫「固定模糊度」。我做过一个项目，在城市里固定模糊度特别难，因为多路径效应严重。后来用了LAMBDA方法，成功率才上去。
4.4 单点定位：最简单的定位方式
单点定位，就是只用一台接收机，接收卫星信号算位置。原理很简单：解四个方程（三个位置坐标加一个钟差），需要至少四颗卫星。
定位步骤：
- 接收卫星星历，知道卫星位置
- 测量伪距，得到距离观测值
- 建立观测方程，线性化
- 用最小二乘法求解
精度怎么样？单频C/A码，水平精度5-10米，高程精度10-15米。双频P码，能到3-5米。我做过测试，在开阔地带，单点定位的RMS大概在4米左右。
单点定位的误差来源：
- 卫星轨道误差：1-2米
- 卫星钟差：1-2米
- 电离层延迟：2-10米
- 对流层延迟：0.5-2米
- 多路径效应：0.5-5米
- 接收机噪声：0.3-1米
4.5 差分定位：消除公共误差
差分定位的原理很简单：两个接收机，一个在已知位置（基准站），一个在未知位置（流动站）。公共误差（卫星钟差、轨道误差、电离层、对流层）可以差分掉。
差分方式有三种：
| 类型 | 原理 | 精度 | 作用距离 |
|---|---|---|---|
| 位置差分 | 基准站位置修正 | 1-3米 | 100 km |
| 伪距差分 | 伪距观测值修正 | 0.5-1米 | 200 km |
| 载波相位差分(RTK) | 载波相位观测值差分 | 厘米级 | 10-20 km |
RTK（实时动态差分）是我用得最多的。它用载波相位观测值做差分，固定模糊度后，精度能到1-2厘米。我在自动驾驶项目里就用RTK，车道级定位完全没问题。
RTK的关键步骤：
- 基准站发送原始观测值
- 流动站接收，做双差
- 解算整周模糊度
- 固定模糊度，得到厘米级位置
4.6 知识体系总览
下面这张图，是我梳理的本章知识结构。你看一眼，心里就有数了。
这张图把本章的核心内容串起来了。从四大系统出发，到两种观测值，再到两种定位方法，最后是差分方式和误差来源。你把它记在脑子里，GNSS原理这块就通了。
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