2. GNSS基础

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）是干扰环境导航容错工程的物理层与观测层基础。理解其系统组成、定位原理、信号结构、误差来源与坐标系，是后续开展干扰检测、完好性监测与多源融合的前提。本节以GPS为主线，兼顾北斗、GLONASS与Galileo的共性，建立可迁移的知识框架。

一、系统组成：空间段、控制段与用户段

GNSS由三大部分构成。空间段是卫星星座，GPS采用MEO中圆轨道，标称24颗卫星分布在6个轨道面，轨道高度约20200 km，周期约11小时58分；北斗三号采用GEO、IGSO与MEO混合星座，兼顾亚太增强与全球服务。控制段由主控站、监测站与注入站组成，负责轨道与钟差测定、星历与历书生成、完好性信息播发。用户段即接收机，包括天线、射频前端、基带处理与导航解算模块。

二、定位原理：伪距、载波与几何交会

GNSS定位的本质是“测距+交会”。接收机测量卫星信号到达时间，乘以光速得到伪距ρ。由于接收机钟差δt_u与卫星钟差δt^s存在，伪距观测方程为：

ρ = r + c·(δt_u - δt^s) + I + T + ε
其中：r 为几何距离，I 为电离层延迟，T 为对流层延迟，ε 为噪声与多路径

至少需要4颗卫星才能同时解算三维位置(x,y,z)与接收机钟差。载波相位观测值精度可达毫米级，但存在整周模糊度，常用于RTK与PPP。几何精度因子（DOP）由卫星空间几何分布决定，PDOP越小定位精度越高。

三、信号结构：从载波到导航电文

GNSS信号通常由载波、伪随机码（PRN）与导航电文三层构成。以GPS L1为例，载波频率1575.42 MHz，C/A码码率1.023 MHz，码长1023，导航电文速率50 bps。北斗B1I频点1561.098 MHz，B1C频点1575.42 MHz，与GPS L1部分重叠，便于多系统兼容接收。

四、误差来源与干扰环境下的特殊性

GNSS误差可分为卫星相关、传播路径相关与接收机相关三类。卫星相关包括钟差、星历误差与轨道摄动；传播路径相关包括电离层、对流层延迟与多路径；接收机相关包括钟差、噪声与硬件偏差。在干扰环境下，还需额外考虑压制干扰导致的载噪比下降、欺骗干扰导致的伪距跳变与位置漂移。

五、常用坐标系与转换关系

GNSS解算通常输出ECEF坐标(x,y,z)，再转换为大地坐标(B,L,H)供用户使用。WGS-84与CGCS2000在厘米级应用中可近似等价，但高精度场景需注意椭球参数差异。ENU站心坐标常用于局部导航与多源融合，便于将GNSS、INS、视觉等观测统一到同一参考框架。

ECEF → 大地坐标：
  L = atan2(y, x)
  B = atan2(z + e²·N·sinB, p)   （迭代求解）
  H = p / cosB − N
其中 N = a / sqrt(1 − e²·sin²B)，p = sqrt(x² + y²)

六、案例场景：城市峡谷中的误差叠加

某车辆在城市峡谷中行驶，可见卫星仅6颗且几何分布较差，PDOP达4.5。此时多路径导致伪距偏差3～8 m，电离层延迟经Klobuchar模型修正后仍残留1～2 m。若同时存在窄带压制干扰，载噪比C/N₀从45 dB-Hz降至28 dB-Hz，跟踪环失锁风险显著上升。工程上需结合多频消电离层、载噪比加权与惯性辅助，才能维持可用性。