3. 全球导航卫星系统基础

农机自动驾驶的绝对位置基准来自全球导航卫星系统（GNSS）。理解GNSS如何测距、不同星座的差异、误差从何而来以及差分如何消减误差，是后续RTK、INS组合导航与路径跟踪控制的基础。本章从信号链路出发，建立“卫星—传播—接收机—差分”的完整认知框架。

一、GNSS定位的基本原理

GNSS采用“单向测距+多球交会”的被动定位体制。卫星在已知轨道位置上连续播发含时间戳的导航电文，接收机测量信号到达时间，乘以光速得到伪距：

ρ = c · (t_rx − t_tx)
  = 真实几何距离 + 卫星钟差 + 接收机钟差
    + 电离层延迟 + 对流层延迟 + 多径 + 噪声

之所以称为“伪距”，是因为接收机钟与卫星钟并不同步，且传播路径并非真空直线。接收机至少需要同时观测4颗卫星，才能解出三维坐标（x, y, z）与接收机钟差4个未知量。若可见卫星超过4颗，则用最小二乘或卡尔曼滤波求解超定方程组，提升解算稳定性。

除伪距外，接收机还可测量载波相位。载波波长仅约19 cm（L1），相位测量精度可达毫米级，但存在整周模糊度。农机高精度导航正是依靠载波相位观测值，在差分改正后固定整周模糊度，从而获得厘米级定位。

二、四大系统对比

GPS、北斗、GLONASS、Galileo在星座构型、信号体制与服务能力上各有特点。农机终端通常采用多星座多频接收机，以增加可见卫星数、改善DOP值并提升遮挡环境下的可用性。

三、定位误差来源与量级

GNSS误差可分为与卫星相关、与传播相关、与接收机相关三类。单点定位（SPP）水平精度通常在米级，而差分与载波相位技术可将其压缩到厘米级。

• 卫星钟差与星历误差：广播星历精度有限，钟差可达数纳秒，对应米级距离误差。
• 电离层延迟：白天可达数米至十余米，是单频用户最大误差源；双频组合可显著削弱。
• 对流层延迟：与温度、气压、湿度相关，天顶方向约2.3 m，需模型改正。
• 多径效应：农机在果园、林带、建筑旁作业时突出，表现为周期性跳动。
• 接收机噪声：与天线质量、跟踪环路带宽、信噪比有关。
• DOP值：卫星几何构型放大测距误差，PDOP大于6时精度明显下降。

四、差分技术：从米级到厘米级

差分GNSS的核心思想是“空间相关性”：基准站与流动站相距不远时，卫星钟差、星历误差、电离层与对流层延迟高度相似。基准站利用已知坐标反算改正数，通过数据链播发给流动站，流动站对观测值进行改正后再解算。

1. 位置差分：基准站播发坐标改正量，原理简单，但要求两站观测同一组卫星。
2. 伪距差分：播发各卫星伪距改正数，精度可达亚米级，适合中等精度作业。
3. 载波相位差分（RTK）：播发载波相位观测值与基准站坐标，流动站双差解算并固定整周模糊度，水平精度可达1～2 cm。
4. 网络RTK / CORS：多基准站组网，生成区域改正模型，扩大覆盖范围并减少距离相关误差。
5. PPP / PPP-RTK：利用精密星历与钟差产品实现全球厘米级定位，收敛时间较长，适合无本地基准站场景。

# 典型 RTK 配置参数（示例）
定位模式      : RTK
差分数据格式  : RTCM 3.2
截止高度角    : 10°
PDOP 阈值     : ≤ 4.0
模糊度固定    : 连续 5 秒固定后输出
数据链        : 4G / 电台 410 MHz
输出频率      : 10 Hz
航向基线      : 双天线 1.2 m

五、场景与复盘：播种作业中的定位异常

某农机在播种作业中出现直线度波动，横向偏差周期性达到8～12 cm。排查发现：接收机显示“浮动解”而非“固定解”，可见卫星仅9颗且PDOP为5.8，果园边缘多径明显。处理措施包括：切换多星座多频模式、提高截止高度角至15°、更换更高增益天线并远离金属机具、检查4G差分链路延迟。调整后卫星数增至18颗，PDOP降至2.1，模糊度重新固定，横向偏差回到2 cm以内。

该案例说明：GNSS精度不是单一指标，而是“观测质量—差分链路—解算状态—安装环境”共同作用的结果。理解误差来源与差分原理，才能在自动驾驶系统出现定位漂移时快速定位问题环节，而不是盲目更换设备。