2. GNSS基础
GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）并不是单颗卫星在工作，而是由空间段、控制段和用户段共同构成的复杂系统。理解这三段结构，是后续分析失锁、抗干扰和导航工程问题的前提。GNSS的基本任务可以概括为：卫星连续播发带有时间标记的无线电信号，用户接收机测量信号到达时间，结合卫星位置和导航电文，解算出自身的三维位置、速度和时间（PVT）。
一、系统组成：空间段、控制段与用户段
以GPS为例，空间段由约24颗以上中圆地球轨道卫星组成，分布在6个轨道面上，轨道高度约20200 km，周期约11小时58分。这种星座设计保证全球任何地点、任何时间至少能观测到4颗以上卫星。控制段包括主控站、注入站和监测站，负责跟踪卫星、计算星历与钟差、更新导航电文并注入卫星。用户段则是各类接收机，包括测量型、导航型、授时型和抗干扰型设备。
其他GNSS系统在结构上类似：北斗由GEO、IGSO和MEO混合星座组成，GLONASS采用FDMA信号体制，Galileo采用MEO星座。多系统兼容接收已成为工程常态，但不同系统在频点、调制方式和电文结构上存在差异，这直接影响抗干扰设计。
二、定位原理：从伪距到PVT
GNSS定位的核心是“测距交会”。接收机测量第i颗卫星信号的传播时间，乘以光速得到伪距：
ρ_i = c · (t_rx - t_tx)
= r_i + c·δt_u - c·δt_s + I_i + T_i + ε_i
其中：
r_i 接收机到卫星的真实几何距离
δt_u 接收机钟差
δt_s 卫星钟差
I_i 电离层延迟
T_i 对流层延迟
ε_i 多路径与噪声由于接收机钟差未知，至少需要4颗卫星才能同时解算x、y、z和钟差。线性化后得到观测方程矩阵形式：
Δρ = H · Δx + ε
H 为几何观测矩阵，每行包含视线方向余弦和1
Δx = [Δx, Δy, Δz, c·δt_u]^T最小二乘解为 Δx = (H^T H)^(-1) H^T Δρ。几何精度因子（GDOP）由H矩阵决定，卫星分布越分散，GDOP越小，定位精度越高。若可见卫星少于4颗，或某颗卫星信号失锁，方程秩不足，定位将退化甚至中断。
三、信号结构：载波、伪码与导航电文
GNSS信号采用直接序列扩频（DSSS）体制，由三层结构组成：
- 载波：L1为1575.42 MHz，L2为1227.60 MHz，L5为1176.45 MHz。载波用于承载调制信号，并可通过多普勒频移测量速度。
- 伪随机码（PRN）：C/A码码率1.023 MHz，码长1023，周期1 ms；P码码率10.23 MHz。伪码用于测距和区分卫星，具有良好的自相关和互相关特性。
- 导航电文：调制在载波上的二进制数据，包含星历、钟差、历书、电离层模型和健康状态等。
接收机通过本地复现伪码与接收信号做相关运算，当相关峰出现时完成捕获，随后进入跟踪环路（DLL/PLL/FLL），持续输出伪距和载波相位观测量。抗干扰能力与扩频增益密切相关：C/A码扩频增益约43 dB，P码约53 dB。
四、误差来源与导航电文
GNSS误差可分为卫星相关、传播路径相关和接收机相关三类。下表给出典型量级与应对手段：
| 误差源 | 典型量级 | 特性 | 抑制方法 |
|---|---|---|---|
| 电离层延迟 | 1～30 m | 与频率平方成反比，白天强 | 双频消电离层、Klobuchar模型 |
| 对流层延迟 | 2～25 m | 与高度角、气象相关 | Saastamoinen模型、参数估计 |
| 卫星钟差 | 1～10 m | 慢变，可建模 | 广播钟差、精密钟差产品 |
| 多路径 | 0.5～10 m | 与反射环境相关 | 扼流圈天线、窄相关、平滑 |
| 干扰与欺骗 | 可致失锁 | 人为、突发、强功率 | 自适应滤波、阵列天线、RAIM |
导航电文是定位解算的“说明书”。以GPS L1 C/A为例，电文以50 bps速率播发，一帧1500 bit，分为5个子帧，每帧30秒。子帧1包含钟差参数和健康状态，子帧2、3包含星历，子帧4、5包含历书和电离层模型。接收机必须完整接收并校验电文后，才能获得卫星位置和钟差，进而完成定位。
五、案例与常见误区
某城市峡谷场景中，接收机可见卫星数从9颗骤降至3颗，GDOP从2.1恶化到8.5，定位跳变超过50米。复盘发现：高层建筑遮挡导致多颗卫星信号中断，同时玻璃幕墙产生强多路径。解决思路不是单纯提高增益，而是结合多系统多频点、RAIM完好性监测和地图匹配，必要时切换至惯性辅助。
掌握GNSS系统组成、定位方程、信号结构和误差特性，才能在后继章节中准确判断失锁机理、设计抗干扰策略，并对导航电文异常做出工程级响应。