GNSS基础回顾：GPS/北斗信号结构、伪距与载波相位观测值、RTK定位原理、整周模糊度固定
各位同学，咱们今天聊点基础，但也是整个RTK紧耦合方案里最绕不开的东西。GNSS信号到底长什么样？伪距和载波相位到底差在哪？RTK又是怎么把厘米级精度搞出来的？这些搞不清楚，后面紧耦合的滤波器设计你肯定晕。
我当年刚入行的时候，觉得GNSS嘛，不就是收个卫星信号算个位置嘛。直到第一次做车载组合导航，发现纯单点定位的误差能飘到十几米，才意识到——嗯，这里面的水很深。今天我就把这几块核心内容掰开了讲。
核心要点：GNSS定位的本质是测距，而测距的精度决定了定位的精度。伪距粗糙但稳健，载波相位精细但模糊。RTK就是利用差分技术把载波相位的模糊度干掉，从而实现厘米级定位。
1. GPS/北斗信号结构
先说信号结构。GPS和北斗虽然系统不同，但思路差不多——都是通过扩频通信的方式，把导航电文调制到载波上发下来。
GPS目前主力是L1频段（1575.42 MHz）和L2频段（1227.60 MHz）。L1上调制了C/A码（粗捕获码）和P码（精码），还有导航电文。北斗的话，B1I（1561.098 MHz）和B2I（1207.14 MHz）是咱们最常用的。
我个人习惯把信号结构拆成三层看：
- 载波层：就是那个正弦波，频率固定。GPS L1大概是19cm波长，L2是24.4cm。北斗B1波长也差不多。
- 测距码层：C/A码周期1ms，码片长度约293米。P码周期7天，码片长度约29.3米。码片越短，测距精度越高。
- 导航电文层：包含卫星星历、钟差、电离层参数等。GPS是50bps，北斗是500bps（B-CNAV1格式）。
我的经验：做紧耦合的时候，千万别只盯着载波相位。伪距虽然粗糙，但它是模糊度浮点解的基础。我见过有人一上来就搞载波相位，结果周跳没处理好，整个滤波器发散。伪距是压舱石，别丢。
2. 伪距与载波相位观测值
这两个东西，说白了就是两种测距手段。伪距靠的是码相关，载波相位靠的是载波跟踪。
伪距观测值：接收机复制一个本地码，跟卫星发下来的码做相关，找到最大相关峰的位置，就能算出信号传播时间，乘以光速就是距离。但这里面有接收机钟差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟……一堆误差。所以叫"伪距"，不是真距。
伪距的观测方程长这样：
P = ρ + c*(dt_r - dt_s) + I + T + ε_P其中ρ是几何距离，dt_r是接收机钟差，dt_s是卫星钟差，I是电离层延迟，T是对流层延迟，ε_P是噪声。
载波相位观测值：这个就精细多了。接收机跟踪卫星的载波信号，测量的是载波相位的变化量。精度能到毫米级，但有个大问题——它测的是相位差，不是绝对距离。因为整周数N是未知的，这就是整周模糊度。
载波相位方程：
Φ = ρ + c*(dt_r - dt_s) - I + T + λ*N + ε_Φ注意电离层项前面的符号是负的，跟伪距相反。这个特性在双频组合里很有用。
避坑指南：我曾经在一个项目里，用单频接收机做RTK，结果电离层活跃期，伪距和载波相位的电离层延迟差异导致模糊度固定失败。后来我学乖了，双频是底线，能上三频就上三频。
3. RTK定位原理
RTK（Real-Time Kinematic）的核心思想就四个字：差分消除。
你想想看，基准站和流动站距离不远（一般几十公里内），它们看到的卫星相同，那么卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟这些误差是强相关的。做一次差分，就能把这些公共误差干掉。
具体做法分两步：
- 站间单差：基准站和流动站对同一颗卫星的观测值相减，消掉卫星钟差和大部分大气延迟。
- 星间双差：再对两颗卫星的单差值做一次差分，消掉接收机钟差。
双差之后，剩下的就是几何距离差加上整周模糊度差（整数），再加上残余噪声。这时候方程就干净多了。
双差载波相位方程简化后：
∇ΔΦ = ∇Δρ + λ*∇ΔN + ∇Δε∇ΔN就是双差整周模糊度，它是一个整数。只要能把这个整数固定下来，剩下的就是高精度的几何距离差，定位精度自然就上去了。
关键点：RTK的精度取决于两个因素——基准站和流动站的距离（基线长度），以及模糊度固定的成功率。基线越短，大气误差相关性越强，固定越容易。一般20km以内效果最好。
4. 整周模糊度固定
这是RTK里最核心、也最头疼的一步。说白了，就是要把双差载波相位方程里的那个整数N给找出来。
常用的方法是LAMBDA算法（Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment）。它的思路是这样的：
- 先用最小二乘解出模糊度的浮点解（带小数）和它的协方差矩阵。
- 然后做一个Z变换，把模糊度之间的相关性降低（去相关）。
- 最后在整数空间里搜索，找到一组整数，使得残差最小。
搜索的时候，一般用Ratio检验来判断固定是否可靠。Ratio值大于某个阈值（比如3.0），就认为固定成功。
代码实现上，LAMBDA的核心搜索部分大概长这样（简化版）：
// 输入：浮点解 a_float, 协方差矩阵 Q
// 输出：固定解 a_fixed, 残差平方和
1. 对Q做LDL分解
2. Z变换去相关
3. 在整数格点中搜索候选点
4. 计算每个候选点的残差平方和
5. 取残差最小的作为固定解
6. 做Z逆变换回到原始空间我的建议：实际工程中，别指望一次固定就成功。我一般会做一个渐进策略——先尝试固定宽巷模糊度（波长更长，更容易固定），再固定窄巷。如果固定失败，就保持浮点解，等下一历元再试。千万别硬来，硬来容易出周跳。
还有一个容易被忽略的点——周跳检测。载波相位跟踪过程中，如果信号失锁，整周计数就会跳变。这个不检测出来，模糊度固定就是白搭。常用的方法有：
- GF（Geometry-Free）组合：检测电离层残差的变化
- MW（Melbourne-Wübbena）组合：检测宽巷模糊度的变化
- 高次差法：对相位做差分，看有没有异常跳变
我个人的习惯是GF和MW一起用，双保险。GF对电离层敏感，MW对多路径敏感，互补性很好。
避坑指南：我曾经在一个高架桥下的场景，卫星信号频繁遮挡，周跳一个接一个。当时没做好周跳标记，结果模糊度固定反复失败，定位结果跳来跳去。后来我加了一个"固定置信度"的指标，连续多个历元固定一致才输出固定解，问题就解决了。
好了，GNSS基础这块就聊到这儿。伪距和载波相位是RTK的两条腿，缺一不可。模糊度固定是RTK的灵魂，搞不定它，厘米级精度就是空谈。下一节咱们会把这些观测值塞进紧耦合的滤波器里，看看它们怎么跟IMU配合。
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