2. GNSS基础

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）并不是单一系统，而是多个卫星导航系统及其增强系统的总称。当前全球范围内最主要的四大核心系统是美国的 GPS、中国的北斗（BDS）、俄罗斯的 GLONASS 和欧盟的 Galileo。理解它们的组成、信号结构与定位原理，是后续学习 GNSS 欺骗检测与防护的前提——因为欺骗攻击正是通过伪造信号结构、篡改观测量或模仿星座行为来误导接收机。

一、四大系统组成与基本特征

四大系统在总体架构上高度相似，通常由三大部分构成：空间段（卫星星座）、地面段（主控站、监测站、注入站等）和用户段（接收机及终端）。空间段负责播发导航信号，地面段负责轨道测定、钟差修正与星历上注，用户段通过接收信号完成定位、测速与授时。

从接收机角度看，多系统兼容已成为主流。同时接收 GPS、北斗、GLONASS、Galileo 信号，可以显著增加可见卫星数量，改善城市峡谷、林区等遮挡环境下的几何构型，提高定位可用性与可靠性。但多系统也带来互操作、频段干扰与欺骗检测复杂度上升的问题。

二、信号结构与测距原理

GNSS 卫星信号通常由载波、伪随机码（PRN码）和导航电文三部分组成。载波是高频正弦波，用于承载信息；伪随机码用于测距和区分卫星；导航电文则包含星历、时钟修正、电离层模型等参数。接收机通过复制本地码与接收码做相关运算，测量码相位得到伪距，测量载波相位得到高精度观测量。

以 GPS L1 C/A 码为例，其码率为 1.023 MHz，码长为 1023 个码片，周期 1 ms。接收机通过捕获与跟踪两个阶段锁定信号：捕获阶段完成码相位与多普勒频移的二维搜索，跟踪阶段利用锁相环（PLL）和延迟锁定环（DLL）持续保持锁定。北斗 B1I、Galileo E1 等信号在调制方式上可能采用 BOC、MBOC 等更复杂的结构，以提高抗干扰与多径抑制能力。

三、定位原理：从伪距到位置解算

GNSS 定位的基本原理是“三边测量”：接收机测量到多颗卫星的距离，结合卫星已知位置，通过空间距离交会解算自身位置。由于接收机钟与卫星钟存在钟差，实际测量的是伪距，因此至少需要 4 颗卫星才能同时解算三维位置（x, y, z）和接收机钟差。

设第 i 颗卫星位置为 (x_i, y_i, z_i)，接收机位置为 (x, y, z)，接收机钟差为 δt，则伪距方程为：

ρ_i = √[(x_i - x)² + (y_i - y)² + (z_i - z)²] + c·δt + ε_i

其中：
ρ_i   —— 第 i 颗卫星的伪距测量值
c     —— 光速
δt    —— 接收机钟差
ε_i   —— 电离层、对流层、多径等误差项

接收机通常采用最小二乘或卡尔曼滤波进行迭代求解。当可见卫星数超过 4 颗时，方程超定，可通过最小化残差平方和获得更稳健的解。若结合载波相位和基准站数据，还可实现 RTK、PPP 等高精度定位。

四、误差来源与对欺骗检测的启示

GNSS 误差可分为卫星相关、传播路径相关和接收机相关三大类。卫星相关误差包括卫星钟差、星历误差和卫星轨道偏差；传播路径误差包括电离层延迟、对流层延迟和多径效应；接收机相关误差包括接收机钟差、噪声和天线相位中心变化。此外，还存在相对论效应、地球自转效应等系统性影响。

这些误差在正常定位中通过模型改正、差分技术或多频组合加以抑制。但在欺骗攻击场景下，攻击者可能故意放大或伪造某些误差特征，例如制造异常的电离层延迟梯度、突然的钟差跳变或不符合物理规律的多普勒变化。因此，理解误差的正常统计特性，是识别异常信号、构建欺骗检测算法的关键基础。

五、常见误区与复盘

• 误区一：卫星越多定位一定越准。卫星数量增加改善几何构型，但若其中混入欺骗信号，反而会拉偏解算结果。数量与质量需同时评估。
• 误区二：伪距精度低所以不重要。伪距是定位解算的基础观测量，欺骗攻击常从伪距入手，其异常变化是检测的重要线索。
• 误区三：多系统兼容就没有欺骗风险。多系统增加了攻击者伪造全部星座的难度，但针对单系统或跨系统不一致的攻击仍然存在。
• 误区四：误差模型可以完全消除误差。模型只能削弱系统性偏差，残余误差和异常扰动仍需通过检测与防护手段处理。

复盘来看，GNSS 基础知识的价值不仅在于“知道怎么定位”，更在于“知道正常信号长什么样”。只有建立对星座组成、信号结构、定位解算和误差分布的完整认知，才能在面对欺骗信号时，快速判断哪些观测量、哪些参数、哪些行为偏离了正常物理规律。