1. 导航系统概述：GNSS/INS/组合导航基本原理

各位同学，咱们直接进入正题。导航系统这东西，说白了就是回答三个问题：我在哪？我要去哪？怎么去？ 今天这章，我们先搞定第一个问题——定位。我会把GNSS、INS和组合导航的核心逻辑拆开讲，顺便聊聊那些年我踩过的坑。

1.1 GNSS：天上的尺子，也有不准的时候

GNSS（全球导航卫星系统）大家都不陌生。GPS、北斗、GLONASS、Galileo，原理都一样：卫星发信号，接收机算距离，然后解位置。听起来简单，对吧？

但实际用起来，问题一堆。我最早做车载导航时，以为GPS精度就是标称的2-3米。结果在高架桥下，定位直接飘到对面车道去了。为什么？因为信号被遮挡、反射，产生了多路径效应。

GNSS误差源，我列个表给你看

误差类型	典型量级	我的实战感受
卫星钟差/星历误差	1-5米	差分GPS能干掉大部分，单点就别指望了
电离层延迟	2-10米	中午最严重，双频接收机是解药
对流层延迟	0.5-2米	湿度大时更明显，模型修正有用但有限
多路径效应	1-50米	城市峡谷的噩梦，我吃过亏
接收机噪声	0.1-1米	换好天线能改善，但别指望根治

1.2 INS：自己算自己的位置，但会越算越偏

惯性导航系统（INS）是个狠角色。它不依赖外部信号，全靠IMU（惯性测量单元）里的加速度计和陀螺仪，自己积分出位置和姿态。你想想看，这玩意儿在潜艇、导弹上用了多少年，可靠性没得说。

但INS有个致命弱点：误差随时间累积。加速度计测的加速度，积分一次得速度，再积分一次得位置。每一步都有噪声和零偏，积分两次之后，位置误差就是时间的三次方增长。嗯，你没看错，三次方。

IMU误差源，我习惯这么分类

• 确定性误差：零偏、比例因子、安装误差。这些可以标定补偿，我一般出厂前做一次，上电后再做一次。
• 随机误差：角度随机游走、速率随机游走、零偏不稳定性。这些是噪声，只能用滤波去估计。
• 温度相关误差：IMU对温度敏感，冷启动和热机后的表现完全不同。我曾经在冬天做路测，IMU零偏直接翻了一倍。

1.3 里程计：轮子转一圈，我走了多远？

里程计（Odometry）是轮式机器人、车辆的标配。它通过轮速脉冲或编码器，推算行驶距离和速度。原理简单，但坑不少。

我记得有一次做AGV（自动导引车）项目，里程计算出来的轨迹，跑一圈回来居然偏了5度。查了半天，发现是轮胎气压不一致，导致左右轮有效半径不同。你想想看，左右轮半径差1毫米，跑100米就能偏出好几度。

里程计误差源，我总结了三类

1. 刻度因子误差：轮胎磨损、气压变化、负载不同，都会改变有效轮径。我建议每次换胎后重新标定。
2. 打滑/空转：急加速、急刹车、湿滑路面，里程计会多算或少算。这时候IMU反而更可靠。
3. 安装偏差：编码器安装不正，或者轮子没对齐，会产生系统性偏差。

1.4 组合导航：取长补短，才是王道

单独用GNSS，信号一断就完蛋。单独用INS，十分钟后位置就飞到天上去。单独用里程计，长距离累积误差受不了。怎么办？组合起来用。

组合导航的核心思想很简单：用GNSS的观测值，去修正INS的累积误差；用INS的高频输出，填补GNSS的更新间隙。说白了，就是让它们互相兜底。

最常见的组合方式是松耦合和紧耦合。我个人更倾向于紧耦合，尤其是在城市峡谷场景下。为什么？因为松耦合需要GNSS先解算出位置，再送给滤波器；如果可见卫星少于4颗，GNSS解算失败，INS就没人管了。而紧耦合直接用原始伪距、伪距率观测值，即使只有1-2颗卫星，也能提供约束。

1.5 知识体系总览

下面这张图，是我自己梳理的导航系统知识框架。你可以把它当作本章的思维导图，后面每章都会围绕这些模块展开。

1.6 调参前的最后一件事：理解你的传感器

在开始调参之前，我建议你先做一件事：把传感器的数据手册翻出来，仔细看一遍。 别笑，我见过太多人拿着默认参数就开始调，结果调了三天发现是IMU的零偏标定没做。

你需要关注的关键参数：

• GNSS：更新率、定位精度（CEP）、冷启动时间、多路径抑制能力
• IMU：量程、零偏稳定性、角度随机游走、带宽
• 里程计：脉冲数/米、最大速度、打滑检测能力