2. GNSS基础与航向航速测量原理
船用GNSS航向与航速传感器并不是一个“单独会测航向的盒子”，它建立在卫星导航系统的基本能力之上：先由接收机解算出天线相位中心的位置和速度，再通过双天线相位差或载波相位观测量的几何关系，进一步求出船首向。理解这一层依赖关系，是后续安装、配置和排障的基础。本节围绕系统组成、定位原理、测速原理、双天线测向以及坐标系与时间系统展开。
一、GNSS系统组成：空间段、地面段与用户段
GNSS是一个由三部分协同工作的系统。空间段是导航卫星星座，卫星上载有原子钟，持续播发导航电文和测距信号；地面段是监测站、主控站和注入站，负责监测卫星轨道与钟差、计算星历和改正参数并上行注入；用户段就是船上的GNSS接收机及天线。对船用传感器而言，用户段还包括双天线、馈线、处理单元和对外输出的接口（如NMEA 0183、IEC 61162-450或以太网）。
需要特别区分的是：卫星播发的是“广播星历”，精度有限；而差分或精密服务（如北斗地基增强、SBAS、RTK/PPP）通过额外改正信息提升精度。船用航向传感器通常工作在RTK或载波相位差分模式，因为测向依赖厘米级的载波相位观测，而不是米级的伪距单点定位。
二、定位原理：从伪距到位置解
接收机测量的是信号从卫星到天线的传播时间，乘以光速得到“伪距”。之所以叫“伪”，是因为它包含卫星钟差、接收机钟差、电离层与对流层延迟等误差。设接收机位置为 (x, y, z)，接收机钟差等效距离为 δt，对第 i 颗卫星有：
ρ_i = √[(x_i−x)² + (y_i−y)² + (z_i−z)²] + c·δt + ε_i四个未知数需要至少四颗卫星联立求解，这就是为什么单点定位至少要锁定四颗星。解算通常在ECEF地心地固坐标系中完成，再转换为经纬高。船用设备还会利用已知的船舶运动约束（如高程变化小）做辅助，但核心仍是伪距方程组的最小二乘或卡尔曼滤波。
在实操中，判断定位是否可用不能只看“有没有解”，而要看参与解算的卫星数、几何精度因子（HDOP/VDOP）、信噪比和差分龄期。例如HDOP大于4、可见星少于6颗时，单点定位的水平误差可能达到数米，此时不应把该位置用于狭窄水域的引航参考。
三、测速原理：多普勒与载波相位
GNSS测速主要依赖多普勒频移。卫星与接收机相对运动会使接收频率偏离标称频率，频移量与径向速度成正比：
f_d = −(v_r / c) · f_L其中 v_r 是相对径向速度，f_L 是载波频率。接收机对多颗卫星的多普勒观测量联立，可解出三维速度矢量，再投影到船体坐标系得到纵向和横向速度。相比位置差分求速度，多普勒测速不受位置噪声放大影响，精度可达厘米每秒到分米每秒量级，且更新率较高。
船用航速传感器通常输出对地速度（SOG）和对地航迹向（COG）。要注意：SOG/COG是相对地面的运动，而船舶操纵更关心相对水的速度（STW）和船首向（Heading）。在强流区域，两者可能相差数节，不能混用。实际检查时，可对比GNSS的COG与电罗经首向：静水直航时二者应接近，若持续存在固定偏差，应排查安装偏角或坐标系定义。
四、航向测量：双天线测向的几何本质
单天线GNSS只能给出位置和速度，无法直接给出船首向。双天线测向利用两天线构成的短基线：主天线与副天线同时接收同一颗卫星的载波信号，由于到达两天线的距离不同，产生载波相位差 Δφ。对基线向量 b 和卫星视线单位矢量 s，有：
Δφ = (b · s) / λ + N其中 λ 为载波波长，N 为整周模糊度。接收机通过多颗卫星、多个历元的观测固定 N，再解出基线向量 b 在本地坐标系中的方向，即得到船首向。基线越长，测向精度越高；但船体安装空间有限，常见基线为0.5～2 m，对应测向精度约0.2°～0.5°（示例量级，实际以设备指标为准）。
安装时有几个硬性要求：两天线必须刚性固定在船体同一基准面上，基线方向与船首向平行或保持已知固定偏角；天线周围应避免桅杆、雷达等遮挡与多路径反射；基线长度和偏角必须准确录入处理单元，否则输出航向会存在系统偏差。调试时可让船舶沿已知方位直航，比较GNSS航向与罗经/码头基准的差值，若偏差稳定则通过偏角修正，若跳动大则优先排查多路径和卫星可见性。
五、坐标系与时间系统：统一参照才能正确解读
GNSS涉及多套坐标系：ECEF地心地固坐标系用于解算；WGS-84（或CGCS2000）用于经纬度表达；本地水平坐标系（东-北-天）用于把基线向量转换为方位角。船首向通常定义为船首方向相对真北的顺时针夹角，范围0°～360°。必须明确：GNSS输出的COG是航迹方向，不是船首向；双天线输出的是基线方位，若基线未与船首线平行，需加装偏角修正。
时间系统方面，卫星播发的是GPST或BDT，与UTC存在整秒偏差（GPST与UTC当前相差18秒，且不跳秒）。船载设备输出时间戳时，应确认其使用的是UTC还是系统时，否则在多设备融合（如AIS、雷达、罗经）时会出现时间对齐错误。实际排查中，若航向数据在记录回放时出现固定时间偏移，首先检查时间系统标注，而不是怀疑测向算法。