2、GNSS基础原理：GPS/北斗/GLONASS/Galileo系统简介、卫星定位基本原理、伪距与载波相位
各位好，欢迎来到第二章。上一章我们聊了定位漂移到底有多烦人，这一章咱们得把地基打牢——GNSS到底是怎么工作的？
说实话，我入行头两年，一直觉得GNSS就是个黑盒子，天线一接，经纬度就出来了。直到有一次在楼宇密集的CBD做路测，定位点满街乱跳，我才意识到：不懂原理，你连问题都描述不清楚。好，咱们开始。
2.1 四大全球卫星导航系统
目前全球有四个GNSS系统在运行。我习惯把它们分成两代：GPS和GLONASS是80后，北斗和Galileo是90后、00后。
| 系统 | 所属国家 | 卫星数量（约） | 轨道高度 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| GPS | 美国 | 31颗 | 20,200 km | 最成熟，民用L1频段 |
| 北斗 | 中国 | 30颗（含5颗GEO） | 21,528 km + 35,786 km | 有短报文通信能力 |
| GLONASS | 俄罗斯 | 24颗 | 19,130 km | 频分多址，抗干扰稍好 |
| Galileo | 欧盟 | 24颗（在轨） | 23,222 km | 民用信号精度高，免费 |
2.2 卫星定位基本原理
说白了，GNSS定位就是三件事：测距、解方程、修正误差。
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。三颗卫星，三个球面交于一点——理论上就定位了。但实际中，接收机时钟和卫星时钟不同步，所以需要第四颗卫星来解出钟差。
这就是经典的四星定位原理。方程组长这样：
ρ_i = sqrt((x - x_i)² + (y - y_i)² + (z - z_i)²) + c * Δt
其中：
ρ_i —— 第i颗卫星的伪距测量值
(x_i, y_i, z_i) —— 第i颗卫星的位置（从星历解算）
(x, y, z) —— 接收机位置（待求）
Δt —— 接收机钟差（待求）
c —— 光速四个方程，四个未知数（x, y, z, Δt），迭代求解。嗯，这里要注意：卫星位置不是固定的，它们以约3.9 km/s的速度飞过天空，所以每毫秒位置都在变。
2.3 伪距与载波相位
这是本章的重头戏。GNSS接收机有两种测距方式，我当年刚接触时也迷糊了好一阵。
2.3.1 伪距（Code Pseudorange）
伪距，就是接收机通过比对卫星发出的伪随机码和自己本地生成的码，算出信号传播时间，再乘以光速得到距离。
为什么叫「伪」？因为这里面包含了钟差、大气延迟、多径等各种误差。说白了，它不是真实几何距离，而是「带误差的距离」。
- 优点：无模糊度，直接得到绝对距离
- 缺点：精度低，民用码精度约3-5米
- 典型应用：单点定位、冷启动
2.3.2 载波相位（Carrier Phase）
载波相位测量的是接收机本地振荡器与卫星载波信号之间的相位差。因为载波波长很短（L1约19 cm），所以理论上精度可以达到毫米级。
但问题来了——相位测量只能测到不足一个波长的小数部分，整周数（N）是未知的。这就是著名的整周模糊度问题。
Φ = ρ + c * (Δt - δt) + λ * N + ε
其中：
Φ —— 载波相位观测值（以米为单位）
λ —— 载波波长
N —— 整周模糊度（整数）
ε —— 其他误差项你看，多了个N。解出N的过程，就是模糊度固定。一旦固定了，精度就能从米级跳到厘米级。
| 对比项 | 伪距 | 载波相位 |
|---|---|---|
| 测量精度 | 分米~米级 | 毫米~厘米级 |
| 模糊度 | 无 | 有（整周模糊度N） |
| 周跳 | 无 | 容易发生 |
| 抗多径能力 | 较弱 | 较强 |
| 典型应用 | 导航、定位 | RTK、精密定位 |
2.4 本章知识体系
下面这张图，是我自己梳理的GNSS定位知识框架。每次带新人，我都会先让他们看这张图——搞清楚每个模块在干什么，漂移问题出在哪一环。
从这张图可以看得很清楚：系统层提供信号，观测层提取距离，方法层解算位置，误差层决定精度。漂移问题，本质上就是误差层里的某个因素在作怪。