3. GNSS定位原理
GNSS定位的本质，是通过测量接收机到多颗卫星的距离，反推出接收机在地球上的位置。理解这一过程，需要依次看清四件事：卫星发什么信号、接收机测什么量、如何用这些量解算位置、以及如何把米级精度提升到厘米级。本节围绕这条主线展开。
一、卫星导航信号：定位的物理载体
GNSS卫星在多个频段上播发信号，以GPS为例，主要包括L1、L2、L5等频点。每颗卫星的信号由三部分构成：
- 载波：高频正弦波，如L1为1575.42 MHz，是承载信息的“运输工具”。
- 测距码：如C/A码、P码，用于测量信号传播时间，决定伪距精度。
- 导航电文：包含卫星星历、时钟改正、电离层模型等参数，是解算卫星位置的基础。
接收机通过码分多址（CDMA）区分不同卫星，通过相关器锁定测距码相位，从而获得信号发射时刻与接收时刻之差。这个时间差乘以光速，就得到“距离”。但接收机钟与卫星钟并不同步，因此这个距离并非真实几何距离，而被称为伪距。
二、伪距与载波相位：两种核心观测量
伪距观测方程可简写为：
P = ρ + c·(δt_r − δt_s) + I + T + ε_P
其中：
P 伪距观测值（m）
ρ 卫星到接收机的几何距离（m）
δt_r 接收机钟差（s）
δt_s 卫星钟差（s）
I 电离层延迟（m）
T 对流层延迟（m）
ε_P 伪距噪声与多路径（m）伪距的优点是直接、无模糊度，但精度受码元宽度限制，通常为米级。载波相位则不同，它测量的是载波周期的小数部分，精度可达毫米级，但存在整周模糊度——接收机无法直接知道信号传播了多少个完整周期。
Φ = ρ + c·(δt_r − δt_s) − I + T + λ·N + ε_Φ
λ 载波波长（如L1约0.19 m）
N 整周模糊度（整数）
ε_Φ 相位噪声（mm级）因此，高精度定位的关键在于：用伪距提供粗略距离，用载波相位提供精细测量，并正确固定整周模糊度N。
三、单点定位：从伪距到坐标
单点定位（SPP）是最基础的定位方式。接收机同时观测至少4颗卫星，建立4个伪距方程，未知数为三维坐标（x, y, z）和接收机钟差δt_r，共4个。通过最小二乘或卡尔曼滤波迭代求解，即可得到米级到十米级的绝对位置。
单点定位的误差来源包括：卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟、多路径效应和接收机噪声。其中电离层延迟在白天可达数米至十几米，是单点定位的主要误差项。广播星历中的Klobuchar模型可改正约50%~70%的电离层误差。
四、RTK与PPP：两种高精度路线
要获得厘米级定位，必须消除或大幅削弱公共误差。RTK和PPP是两条主流技术路线，其核心区别在于误差改正信息的来源和模糊度固定方式。
| 对比项 | RTK（实时动态差分） | PPP（精密单点定位） |
|---|---|---|
| 改正源 | 本地基准站/网络RTK | 精密星历+钟差+相位偏差 |
| 作用距离 | 通常<30 km，网络RTK可扩展 | 全球，无距离限制 |
| 收敛时间 | 数秒至数十秒 | 数分钟至数十分钟 |
| 典型精度 | 水平1~2 cm + 1 ppm | 静态毫米级，动态厘米级 |
| 依赖条件 | 需通信链路和基准站 | 需精密产品，可事后或实时 |
| 模糊度固定 | 双差后快速固定 | PPP-AR逐步固定 |
RTK基本流程：基准站与流动站同步观测同一组卫星，通过双差组合消除卫星钟差、接收机钟差和大部分电离层/对流层延迟；然后流动站利用基准站发送的差分改正数，解算基线向量，并固定整周模糊度，最终得到厘米级坐标。
PPP基本流程：使用IGS精密星历和精密钟差产品，对单站非差观测值进行改正；通过模型改正电离层、对流层和天线相位中心偏差；利用相位偏差产品恢复模糊度整数特性，实现PPP-AR固定。PPP无需基准站，但收敛时间较长。
五、工程场景与常见误区
以自动驾驶高精度定位为例：车辆在城市道路行驶时，RTK链路可能因遮挡中断，此时若直接切换至单点定位，位置跳变可达数米，导致融合滤波器发散。正确做法是：在RTK固定时积累高精度轨迹，链路中断后依靠INS递推，同时监测PPP收敛或等待RTK恢复，并适当放大GNSS观测噪声。
常见误区二：忽略整周模糊度固定质量。RTK的“固定解”并非永远正确，需关注Ratio值、RMS和基线长度，防止错误固定导致厘米级跳变。
常见误区三：把PPP和RTK精度简单等同。PPP收敛前精度可能不如单点定位，必须等待收敛标志后再使用。
总结来看，GNSS定位从信号到坐标的链条是：卫星播发载波、码和电文 → 接收机测量伪距和载波相位 → 单点定位提供绝对位置 → RTK/PPP通过差分或精密产品消除误差并固定模糊度 → 输出厘米级定位结果。理解这条链条，是后续GNSS/INS/LiDAR融合定位工程的基础。