第2章 GNSS基础原理：GPS/北斗系统架构、卫星定位基本原理、伪距与载波相位观测、单点定位精度分析

各位同学，欢迎来到第二章。

这一章，咱们聊聊GNSS的基础原理。说实话，很多做V2X融合定位的工程师，对GNSS的理解就停留在“能定位”这个层面。但你要做高精度融合，不懂伪距和载波相位的区别，那基本就是瞎搞。

我个人习惯，讲原理之前先讲系统。你总得知道天上的卫星是谁家的，怎么工作的，对吧？

2.1 GPS与北斗系统架构

先说说GPS。美国人的系统，1978年就开始搞了。现在天上大概有31颗卫星在运行。北斗呢，咱们中国的，2020年才完成全球组网。我记得刚入行那会儿，北斗还没全球覆盖，做项目只能用GPS+GLONASS。现在好了，北斗的加入让定位可靠性提升了一大截。

两个系统的架构其实大同小异，都分三部分：

• 空间段：就是天上的卫星。GPS是MEO轨道，高度约20200公里。北斗更复杂，有GEO、IGSO、MEO三种轨道。为什么？为了亚太地区覆盖更好。你想想看，咱们做V2X主要在国内跑，北斗这个设计就很贴心。
• 地面段：地面监控站、主控站、注入站。负责跟踪卫星、计算星历、上传导航电文。说白了，就是给卫星“喂数据”。
• 用户段：就是咱们手里的接收机。天线、射频前端、基带处理、定位解算。

2.2 卫星定位基本原理

原理其实很简单——三球交汇。

你想想看，如果你知道一颗卫星的位置，又知道它到你接收机的距离，那你就在以卫星为球心的球面上。两颗卫星，两个球面相交成一个圆。三颗卫星，三个球面相交于两个点。其中一个点在地球附近，另一个在太空里，排除掉就行。

但这里有个坑：接收机时钟和卫星时钟不同步。

卫星上有原子钟，精度极高。接收机呢？一般就是个石英钟，便宜但不准。所以实际上我们测的不是真实距离，而是“伪距”。

伪距方程长这样：

ρ = r + c·(dt_r - dt_s) + I + T + ε

其中：

• ρ：伪距观测值
• r：真实几何距离
• c：光速
• dt_r：接收机钟差
• dt_s：卫星钟差
• I：电离层延迟
• T：对流层延迟
• ε：其他误差

你看，未知数有4个：接收机三维坐标(x,y,z)加上接收机钟差dt_r。所以至少需要4颗卫星才能解算。这就是为什么你手机导航时，搜到4颗星才能定位。

2.3 伪距与载波相位观测

好，重点来了。

伪距和载波相位，是GNSS接收机输出的两种基本观测值。很多人搞混，我当年也踩过坑。

伪距：

接收机通过比对卫星发射的伪随机码和自己生成的本地码，得到信号传播时间，乘以光速就是伪距。精度大概在米级，好的接收机能到分米级。

伪距的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：

接收机测量的是载波信号的相位。载波频率高（GPS L1是1575.42MHz），波长只有19厘米。所以相位测量的精度能到毫米级。

但问题来了：整周模糊度。

接收机只能测到不足一周的小数部分，整数部分N是未知的。这个N就是整周模糊度。不解出来，你没法用载波相位做绝对定位。

伪距和载波相位的观测方程：

伪距：P = ρ + c·(dt_r - dt_s) + I + T + ε_P
载波相位：Φ = ρ + c·(dt_r - dt_s) - I + T + λ·N + ε_Φ

注意看，电离层延迟I在伪距和载波相位里符号相反。这是电离层的色散效应导致的。嗯，这里要注意，做双频组合时这个特性很有用。

2.4 单点定位精度分析

单点定位，就是只用一台接收机，不依赖任何差分改正。精度能到多少？

我直接给结论：水平精度3-5米，高程精度5-8米。这是典型值，实际受环境影响很大。

影响精度的因素，我列个表：

误差源	典型大小（米）	说明
卫星钟差	1-2	广播星历改正后残余
星历误差	1-2	卫星轨道预测不准
电离层延迟	2-10	白天大，夜间小；赤道附近最大
对流层延迟	1-2	与天气、仰角有关
多路径效应	0.5-5	城市峡谷最严重
接收机噪声	0.1-0.5	取决于接收机质量

你看，最大的误差源是电离层。白天太阳辐射强，电离层电子密度大，延迟能到10米。夜间就好很多。

还有一个概念叫DOP值（精度衰减因子）。它反映卫星几何构型对定位精度的影响。DOP值越小，精度越高。一般要求PDOP（位置精度衰减因子）小于3。

为什么？你想想看，如果四颗卫星都挤在天上同一个方向，那交会区域就很大，定位不确定度就大。如果卫星均匀分布在天空各个方向，交会区域就小，定位就准。

最后说一句，单点定位的精度，对于V2X的很多应用是不够的。比如车道级导航，需要亚米级甚至厘米级。那怎么办？别急，后面几章我会讲差分定位、RTK、以及和IMU的融合。这一章先把基础打牢。

好，今天就到这儿。下一章咱们聊差分定位的原理，那才是高精度的起点。