1. 定位技术基础：GNSS 系统概述与定位原理

各位工程师朋友，咱们今天聊聊定位技术的根基——GNSS。说实话，我入行那会儿，GPS 一家独大，现在北斗、格洛纳斯、伽利略全上来了，接收机要同时处理四套系统，复杂度翻了好几倍。但不管系统怎么变，核心原理就那几样。搞懂了这些，后面优化性能才有方向。

1.1 四大 GNSS 系统概览

目前全球有四个成熟的卫星导航系统。我习惯把它们分成两组：GPS 和北斗是「全功能选手」，GLONASS 和 Galileo 是「重要补充」。下面这张表能帮你快速看清差异：

这里有个细节我想提一下。北斗的 IGSO（倾斜地球同步轨道）卫星是个特色，它们在中国及周边地区上空停留时间更长，信号几何结构更好。我在做车载定位项目时，北斗的加入让城市峡谷场景的可用卫星数从 8 颗涨到了 14 颗，定位连续性明显改善。

1.2 定位原理：伪距测量

伪距测量是 GNSS 定位的「基本功」。说白了，就是测量卫星信号从太空传到接收机花了多少时间，再乘以光速，得到距离。但这里有个坑——卫星时钟和接收机时钟不同步，测出来的距离不是真距，所以叫「伪距」。

数学上，伪距观测方程长这样：

ρ = r + c·(dt_r - dt_s) + I + T + ε

其中：

• ρ：伪距观测值
• r：卫星到接收机的几何距离
• 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：测量噪声

解这个方程需要至少 4 颗卫星——3 颗解位置 (x, y, z)，1 颗解接收机钟差。我刚开始做定位算法时，总觉得 4 颗就够了，结果在城市里经常定位飘移。后来才明白，卫星几何分布差的时候，4 颗星根本不够用。

1.3 定位原理：载波相位

载波相位测量是「高精度玩法」。它不测信号传播时间，而是测载波信号的相位变化。波长只有 19 cm（L1 频段），理论上精度能到毫米级。但有个大麻烦——整周模糊度。

简单说，接收机能测出相位的小数部分，但不知道信号走了多少个整周。这个未知整数 N 就是整周模糊度。一旦 N 解对了，定位精度就能从米级跳到厘米级。

载波相位观测方程：

Φ = r + c·(dt_r - dt_s) + λ·N - I + T + ε

注意电离层项 I 前面是负号——载波相位和伪距的电离层延迟方向相反。这个特性可以用来做电离层误差消除，后面讲双频组合时会细说。

1.4 定位精度影响因素

影响定位精度的因素很多，我按「误差来源」整理成三类：

• 卫星端误差：星历误差、卫星钟差。广播星历精度约 1-2 米，精密星历能到厘米级。
• 传播路径误差：电离层延迟（白天可达 10 米）、对流层延迟（约 2-5 米）、多路径效应（城市环境可达 10 米以上）。
• 接收机端误差：接收机噪声、天线相位中心变化、通道间偏差。

下面这张图能帮你直观理解各误差的典型量级：

嗯，这里要特别说一下多路径效应。我在做无人机定位测试时，飞机降落在金属平台上，定位瞬间跳了 5 米。后来发现是金属表面反射信号造成的。多路径是城市环境最大的误差源，比电离层还难处理。

1.5 定位精度与 DOP 值

DOP（精度衰减因子）是衡量卫星几何结构好坏的关键指标。它不直接代表误差大小，而是把误差放大的倍数。DOP 值越小，定位精度越高。

为什么垂直精度通常比水平差？因为卫星都在头顶上方，垂直方向的几何约束不如水平方向强。VDOP 一般是 HDOP 的 1.5-2 倍。我在做车载导航时，HDOP 经常在 1.0 左右，但 VDOP 能到 2.5，高程误差明显比平面大。

好了，这一章的内容就到这里。GNSS 系统的基本框架、伪距和载波相位的原理、以及影响精度的主要因素，都是后面做性能优化的基础。记住一句话：定位精度不是单一因素决定的，是卫星、传播路径、接收机三者博弈的结果。搞清楚了这些，后面讲差分定位、RTK、多频组合时，你就能理解为什么每一步都在「消除误差」。