3. GNSS定位原理：伪距定位、载波相位定位、RTK/PPK技术、多路径效应与误差源
各位同学好，我是老张。今天咱们聊点硬核的——GNSS定位原理。说实话，我入行那会儿，觉得GNSS就是个黑盒子，天线一接，坐标就出来了。后来踩了无数坑才明白，这玩意儿背后的门道深着呢。
咱们做融合定位，GNSS是绝对坐标的锚点。你IMU再准，WiFi指纹再密，没有GNSS这个"定海神针"，系统迟早飘到天上去。所以，搞懂GNSS怎么算位置，误差从哪来，是调优的第一步。
核心观点：GNSS定位的本质，就是解一个四元一次方程组——三个位置坐标(x,y,z)加一个接收机钟差(dt)。四个未知数，至少需要四颗卫星。
3.1 伪距定位：最朴素的定位方式
伪距定位，说白了就是测距。卫星发一个信号，接收机收到，记录时间差，乘以光速，就是距离。但这里有个坑——卫星钟和接收机钟不同步。
卫星上装的是原子钟，精度高得离谱。接收机呢？普通石英钟，一天能差几微秒。光速是3×10⁸ m/s，1微秒的钟差就是300米。所以伪距方程里必须把接收机钟差当未知数一起解。
伪距观测方程长这样：
ρ = r + c·(dt_r - dt_s) + I + T + ε其中：
- ρ：伪距观测值
- r：卫星到接收机的几何距离
- c：光速
- dt_r：接收机钟差
- dt_s：卫星钟差（可通过导航电文修正）
- I：电离层延迟
- T：对流层延迟
- ε：其他噪声
我在项目里遇到过一件事：有一次在郊区测试，伪距定位精度突然从3米掉到15米。排查了半天，发现是接收机晶振受温度影响，钟差模型失效了。嗯，硬件层面的坑，软件再牛也填不平。
实战建议：伪距定位精度一般在3-10米。如果你做的是车道级导航，别指望伪距。但做城市峡谷场景的粗定位，伪距够用了。
3.2 载波相位定位：厘米级的秘密
伪距定位精度不够，怎么办？用载波相位。
载波信号的波长很短——L1波段19cm，L2波段24cm。如果能测出载波相位的小数部分，理论上精度能到毫米级。但问题来了：整周模糊度怎么解？
你想想看，接收机只能测到相位的小数部分，整数部分是多少？不知道。这就是著名的"整周模糊度"问题。
载波相位观测方程：
Φ = λ·N + r + c·(dt_r - dt_s) - I + T + ε多了一个λ·N，λ是波长，N是整周模糊度（整数）。
解N的方法有很多：
- LAMBDA算法：最经典的方法，用最小二乘搜索整数解
- TCAR：三频组合法，适合多频接收机
- 运动学初始化：通过短时间运动解算N
我曾经在无人机项目上吃过亏。飞机起飞后，载波相位锁定突然丢失，重新锁定后N变了，位置直接跳了20米。后来加了周跳检测和修复算法，才算稳住。
注意：载波相位定位需要连续跟踪卫星信号。一旦发生周跳（cycle slip），整周模糊度就得重新解算。城市环境下，高楼遮挡频繁，周跳是家常便饭。
3.3 RTK/PPK技术：差分定位的两种玩法
单点定位误差太大，怎么办？差分。原理很简单：两个接收机距离不远，误差源（电离层、对流层、卫星钟差）高度相关，做差就能消掉大部分误差。
RTK（实时动态差分）：
- 基准站把观测值通过电台/4G发给流动站
- 流动站实时解算整周模糊度
- 精度：水平1-2cm，高程3-5cm
- 缺点：需要数据链路，距离受限（一般<30km）
PPK（后处理动态差分）：
- 基准站和流动站各自记录原始观测值
- 事后用软件做差分处理
- 精度：和RTK相当
- 优点：不需要实时数据链路
- 缺点：不能实时出结果
我个人的习惯是：做自动驾驶路测用RTK，因为要实时看效果。做测绘或无人机航测用PPK，省去架设电台的麻烦。
关键区别：RTK是"实时算"，PPK是"事后算"。RTK依赖通信链路，PPK依赖存储和后期处理。
3.4 多路径效应：定位精度的隐形杀手
多路径效应，说白了就是信号反射。卫星信号打到高楼、地面、水面上，反射后进入接收机，和直射信号叠加，造成测距误差。
多路径误差有多大？
- 伪距：可达10-100米
- 载波相位：可达1/4波长（约5cm）
伪距的多路径误差大得吓人。载波相位虽然小，但1/4波长也够让厘米级定位变成分米级。
怎么抑制多路径？
- 天线设计：扼流圈天线、抗多路径天线
- 信号处理：窄相关器、双delta技术
- 算法层面：基于信噪比（SNR）的加权、多路径检测与剔除
我记得在深圳某高楼密集区测试，RTK定位精度从2cm掉到15cm。查了半天，发现是玻璃幕墙反射太严重。后来换了扼流圈天线，情况好了一些，但也没完全解决。多路径这东西，物理上很难根除。
避坑指南：我曾经在河边测试，水面反射导致伪距误差超过50米。后来我养成了一个习惯——测试前先观察环境，水面、玻璃幕墙、金属屋顶都是重灾区。
3.5 误差源全景图
GNSS误差源可以分成三类：
| 误差类别 | 误差源 | 典型大小 | 能否差分消除 |
|---|---|---|---|
| 卫星端 | 卫星钟差、轨道误差 | 1-5米 | 能（短基线） |
| 传播路径 | 电离层延迟、对流层延迟、多路径 | 2-50米 | 部分能 |
| 接收机端 | 接收机钟差、噪声、天线相位中心偏差 | 0.5-10米 | 不能 |
做融合定位调优时，我的经验是：先搞清楚当前场景下哪个误差占主导。郊区开阔地，电离层是主要误差；城市峡谷，多路径是主要误差；高动态场景，接收机噪声和钟差是主要误差。对症下药，比盲目调参数有效得多。
3.6 知识体系总览
下面这张图是我自己画的，把本章的核心逻辑串起来了。你仔细看一遍，应该能理解GNSS定位的全貌。
这张图从定位方法出发，往下延伸到核心概念，再汇聚到误差源，最后落到调优方向。你把它打印出来贴在工位上，做融合定位调优时随时看一眼，思路会清晰很多。
本章小结：伪距定位是基础，载波相位是精度，差分是手段，多路径是敌人。做融合定位，你得知道GNSS的底牌是什么，才能打好IMU、视觉、激光雷达这张牌。