2. GNSS定位基础
GNSS定位的本质，是用户接收机通过测量来自多颗卫星的无线电信号传播时间，反推出接收机到各卫星的距离，再结合卫星已知轨道位置，用空间后方交会的方法解算自身三维坐标与钟差。理解这条主线，是后续分析失锁、多路径、遮挡和鲁棒定位问题的前提。本节从信号传播、时空基准、两类核心观测值、解算流程和误差来源五个层面展开。
一、卫星导航基本原理：从测距到定位
卫星在已知时刻发射带有测距码和导航电文的信号，接收机在本地时刻复现同类测距码，通过相关运算得到信号传播时延 τ。若卫星与接收机钟完全同步，则几何距离 ρ = c·τ。但接收机钟通常存在钟差 δtr，卫星钟差为 δts，实际测得的是含误差的伪距：
P = c·(t_r - t^s) = ρ + c·(δt_r - δt^s) + I + T + ε
其中：ρ 为几何距离，I 为电离层延迟，T 为对流层延迟，ε 为噪声与多路径每颗卫星提供一个方程，未知量为接收机三维坐标 (x, y, z) 和接收机钟差 δtr，共 4 个。因此至少需要 4 颗卫星才能求解。若可见卫星多于 4 颗，则用最小二乘或卡尔曼滤波进行超定解算，提升精度与可靠性。这正是“四星定位”原理，也是城市峡谷中卫星数不足时定位退化的根源。
二、坐标系与时间系统：定位的“基准面”
GNSS 解算必须统一坐标与时间基准。常用坐标系包括：地心地固坐标系 WGS-84（GPS 广播星历基准）、CGCS2000（我国北斗基准）、ECEF 与 ENU 局部坐标。卫星位置在 ECEF 下计算，用户坐标也需在同一框架下表达，否则会产生米级甚至更大的系统性偏差。
时间系统方面，GPS 时（GPST）与北斗时（BDT）均为原子时，起点不同；UTC 含闰秒，与 GPST 存在整秒差。接收机钟差、卫星钟差、相对论效应和群延迟都必须在时间维度上严格处理。工程中常见误区是忽略“周跳”与“整周计数”的时间连续性，导致载波相位观测在失锁后无法直接续用。
| 基准类型 | 典型系统 | 关键特征 | 工程注意点 |
|---|---|---|---|
| 坐标基准 | WGS-84 / CGCS2000 | 地心地固、椭球参数略有差异 | 跨系统融合需统一到同一框架 |
| 时间基准 | GPST / BDT / UTC | 原子时、含闰秒差异 | 注意整秒跳变与钟差建模 |
| 高程基准 | 椭球高 / 正常高 | 大地高与海拔高不同 | 高程异常需模型改正 |
三、伪距与载波相位观测：两类核心观测量
伪距观测值 P 由测距码相关得到，优点是绝对、无模糊度、抗干扰较强，缺点是码元宽度限制其精度在米级。载波相位观测值 Φ 由载波跟踪环得到，波长短（L1 约 19 cm），精度可达毫米级，但存在整周模糊度 N，且易受失锁、周跳影响。
伪距：P = ρ + c(δt_r - δt^s) + I + T + M_P + ε_P
相位：Φ = ρ + c(δt_r - δt^s) - I + T + λN + M_Φ + ε_Φ
其中 λ 为载波波长，N 为整周模糊度，M 为多路径实际定位中，常采用“伪距单点定位（SPP）→ 载波相位平滑伪距 → RTK/PPP”的递进策略。伪距负责提供绝对位置和模糊度初值，载波相位负责高精度相对定位。失锁场景下，载波相位连续性被破坏，必须重新初始化模糊度，这正是鲁棒定位要解决的核心问题之一。
四、定位解算流程与误差来源
标准解算流程可概括为：观测数据获取 → 卫星位置计算 → 误差模型改正 → 观测方程线性化 → 最小二乘/卡尔曼滤波求解 → 质量评估与输出。若为 RTK，还需引入基准站差分改正；若为 PPP，则需精密星历、精密钟差和相位偏差产品。
- 数据准备：读取 RINEX 观测文件、导航电文，检查观测值完整性与卫星健康状态。
- 卫星位置：根据广播星历或精密星历计算信号发射时刻卫星 ECEF 坐标。
- 误差改正：电离层、对流层、钟差、地球自转、天线相位中心等逐项修正。
- 方程构建：对伪距和相位观测方程在近似坐标处线性化，形成设计矩阵。
- 参数估计：最小二乘求位置与钟差；动态场景用卡尔曼滤波估计位置、速度、模糊度。
- 质量控制：残差分析、RAIM 完好性检测、DOP 评估，剔除异常卫星。
误差来源可分为三类：与卫星相关的星历误差、卫星钟差；与传播路径相关的电离层、对流层延迟和多路径；与接收机相关的钟差、噪声、天线相位中心偏差。其中电离层和对流层可通过双频组合与模型削弱，多路径和非视距则更依赖天线设计、信号处理与鲁棒估计算法。
理解上述基础后，后续讨论失锁检测、周跳修复、多源融合和复杂场景鲁棒定位时，才能准确判断问题出在观测层、解算层还是误差建模层。GNSS 定位不是单一公式，而是一条从信号到坐标、从观测到估计的完整链路，每一环的稳健性都决定最终可用性。