2. GNSS基础
在农机自动驾驶与精准作业中，GNSS RTK 之所以能提供厘米级定位，并不是因为“卫星直接测出了厘米”，而是因为整套系统同时解决了四件事：卫星信号从哪来、距离怎么算、误差怎么消、结果落在哪个坐标与时间基准上。理解这四条主线，才能在田间出现“漂移、跳点、固定慢、地头对不齐”时快速判断问题层级。
一、系统组成：空间段、控制段、用户段
GNSS 是多个卫星导航系统的统称，包括 GPS、北斗、GLONASS、Galileo 等。无论哪个系统，基本都由三部分组成：
- 空间段：在轨卫星持续播发导航电文与测距信号，电文中包含卫星轨道参数、时钟修正、健康状态等。
- 控制段：地面监测站、主控站、注入站跟踪卫星，计算并上注星历与钟差修正，维持星座可用性。
- 用户段：农机上的 GNSS 接收机、天线、RTK 差分链路、显示终端与自动驾驶控制器。
对农机工程而言，用户段还可细分为：天线相位中心、射频前端、基带跟踪、PVT 解算、RTK 差分、坐标转换与 CAN/ISOBUS 输出。任何一个环节配置错误，都会表现为定位精度下降。
二、定位原理：从伪距到载波相位
最基础的定位是“球面交会”：接收机测量到至少 4 颗卫星的伪距，结合卫星位置，解算出三维坐标与接收机钟差。伪距定位精度通常在米级，受电离层、对流层、多路径和钟差影响明显。
RTK 的核心是载波相位差分。基准站与流动站同时观测同一组卫星，通过差分链路把基准站的观测值传给流动站，流动站做双差解算，消除卫星钟差、接收机钟差、电离层与对流层的大部分公共误差，从而把定位精度提升到厘米级。其关键条件是：
- 基准站坐标已知且稳定；
- 流动站与基准站共视卫星数量足够，通常要求 5 颗以上；
- 差分链路时延小、不丢包；
- 整周模糊度成功固定，得到“固定解”。
三、误差来源：哪些能差掉，哪些差不掉
GNSS 误差可分为“公共误差”和“非公共误差”。公共误差在短基线 RTK 中可被差分大幅削弱；非公共误差则难以通过差分消除，是田间作业的主要风险源。
| 误差类型 | 来源 | RTK 差分效果 | 农机应对 |
|---|---|---|---|
| 卫星钟差 | 卫星原子钟漂移 | 基本消除 | 依赖星历与差分 |
| 电离层延迟 | 大气自由电子 | 短基线大幅削弱 | 缩短基线、双频观测 |
| 对流层延迟 | 水汽与气压 | 部分削弱 | 避免超长基线 |
| 多路径 | 车身、树木、建筑反射 | 不能消除 | 天线远离金属、加地平面 |
| 接收机噪声 | 射频与基带 | 不能消除 | 选型与滤波 |
| 整周模糊度 | 载波相位未知整数 | 需正确固定 | 保证共视与链路质量 |
在农机场景中，最常见的误区是把“多路径”当成“卫星不够”。实际上，树荫、粮仓、金属棚、高压线附近，卫星数可能仍够，但多路径导致伪距与相位污染，表现为固定解反复丢失、航向跳动。此时应优先检查天线安装位置与地平面，而不是盲目增加卫星系统。
四、坐标系与时间系统：结果落在哪里
GNSS 原始解算结果属于地心地固坐标系，常用 WGS-84 与 CGCS2000。农机作业需要的是本地平面坐标，因此必须经过基准转换与投影。典型链路为：
WGS-84 经纬高
→ 基准转换（七参数/四参数）
→ 高斯-克吕格投影或 UTM
→ 地方平面坐标 (N, E, H)
→ 农机航向、横滚、俯仰
→ CAN/ISOBUS 输出给自动驾驶控制器时间系统同样关键。GNSS 使用原子时，GPS 时与 UTC 存在跳秒差，北斗时与 UTC 也有固定偏差。RTK 差分要求基准站与流动站时间标签对齐，若接收机时间同步异常，会出现“差分龄期过大”或“观测值不匹配”，直接导致固定困难。
五、案例与复盘：地头对不齐的排查顺序
某拖拉机在直线作业时正常，但地头转弯后重复路径偏移约 20 cm。按以下顺序排查：
- 查看 RTK 状态：是否全程固定解，固定率是否低于 95%；
- 检查差分链路：龄期、丢包率、电台/网络延迟；
- 检查天线安装：是否在车顶中心、是否靠近金属、地平面是否完整；
- 核对坐标与投影：基准站坐标、七参数、投影带是否一致；
- 检查时间同步：接收机时间与控制器时间是否一致；
- 最后再评估卫星几何：PDOP、共视卫星数、高度角设置。
复盘结论：该案例最终定位为天线地平面不足导致多路径，地头转弯时车身姿态变化使反射路径改变，固定解短暂丢失后重新固定，产生约 20 cm 的重复偏差。调整天线位置并增加地平面后，固定率恢复到 99% 以上，地头重复精度回到 2～3 cm。
掌握以上四部分后，再看 RTK 配置参数就不再是“背菜单”，而是能对应到具体物理过程：卫星几何决定可用性，差分链路决定固定率，多路径决定重复精度，坐标与时间决定结果能否被农机控制器正确使用。