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第六章GPS差分定位技术基本原理概述①差分GPS产生的诱因:绝对定位精度不能满足要求GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响,完全满足某些特殊应用的要求美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响(选择可用性SA)SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化概述②差分GPS(DGPS–DifferentialGPS)利用设置在坐标已知的点(基准站)上的GPS接收机测定GPS测量定位误差,用以提高在一定范围内其它GPS接收机(流动站)测量定位精度的方法RTCM-104格式影响绝对定位精度的主要误差主要误差卫星轨道误差卫星钟差大气延迟(对流层延迟、对流层延迟)多路径效应对定位精度的影响。通常大于等效距离误差定位精度1PDOPPDOPPDOP:PositionDilutionofPrecision,位置精度衰减因子差分定位是利用两台GPS接收机,分别安置在基线的两端,同步观测相同的GPS卫星,以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。相对定位方法一般可推广到多台接收机安置在若干条基线的端点,通过同步观测GPS卫星,以确定多条基线向量。T1T2s1s2s3s4差分GPS的基本原理误差的空间相关性以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性,从而定位结果也有一定的空间相关性。差分GPS的基本原理利用基准站(设在坐标精确已知的点上)测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响,供流动站改正其观测值或定位结果差分改正数的类型距离改正数:利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离,计算距离减去观测距离即为距离改正数。位置(坐标改正数)改正数:基准站上的接收机对GPS卫星进行观测,确定出测站的观测坐标,测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。差分GPS对测量定位精度的改进DGPS(单位:m)间距(km)误差类型GPS(单位:m)0100300500卫星钟误差3.00000卫星星历误差2.400.040.130.22SA:卫星钟频抖动240.250.250.250.25SA:人为引入的星历误差2400.431.302.16大气延迟误差:电离层延迟4.000.731.251.60大气延迟误差:对流层延迟0.400.400.400.40基准站接收机误差噪声和多路径误差0.500.500.500.50基准站接收机误差:测量误差0.200.200.200.20DGPS误差(ms)0.591.111.942.79用户接收机误差1.01.01.01.01.0用户等效距离误差(rms)34.41.161.492.192.96导航精度(2drms)HDOP=1.5103.23.54.56.68.9差分GPS的分类根据时效性实时差分事后差分根据观测值类型伪距差分载波相位差分根据差分改正数位置差分(坐标差分)距离差分根据工作原理和差分模型局域差分(LADGPS–LocalAreaDGPS)单基准站差分多基准站差分广域差分(WADGPS–WideAreaDGPS)位置差分距离差分距离改正坐标改正位置差分和距离差分的特点位置差分差分改正计算的数学模型简单差分数据的数据量少基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星距离差分差分改正计算的数学模型较复杂差分数据的数据量较多基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星单基准站局域差分结构基准站(一个)、数据通讯链和用户数学模型(差分改正数的计算方法)提供距离改正和距离改正的变率特点优点:结构、模型简单缺点:差分范围小,精度随距基准站距离的增加而下降,可靠性低的变率。为距离改正数为距离改正数;dtdVVtdtdVtVttVii)()(基准站数据通讯链流动站(用户)多基准站局域差分结构基准站(多个)、数据通讯链和用户数学模型(差分改正数的计算方法)加权平均偏导数法最小方差法特点优点:差分精度高、可靠性高,差分范围增大缺点:差分范围仍然有限,模型不完善多基准站差分系统结构广域差分结构基准站(多个)、数据通讯链和用户数学模型(差分改正数的计算方法)与普通差分不相同普通差分是考虑的是误差的综合影响广域差分对各项误差加以分离,建立各自的改正模型用户根据自身的位置,对观测值进行改正特点优点:差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大缺点:系统结构复杂、建设费用高静态差分安置在基线端点的接收机固定不动,通过连续观测,取得充分的多余观测数据,改善定位精度。静态相对定位一般均采用载波相位观测值(或测相伪距)为基本观测量,对中等长度的基线(100-500km),相对定位精度可达10-6-10-7甚至更好。在载波相位观测的数据处理中,为可靠地确定载波相位整周未知数,静态相对定位一般需要较长的观测时间(1.0-1.5小时)如何缩短观测时间,是研究和关心的热点。缩短静态相对定位的观测时间关键在于快速而可靠地确定整周未知数。理论和实践表明,在载波相位观测中,如果整周未知数已经确定,则差分定位精度不会随观测时间的延长而明显提高。准动态差分定位接收机在移动过程中必须保持对观测卫星的连续跟踪在高精度静态差分定位中,当仅有两台接收机时,一般应考虑将单独测定的基线向量联结成向量网(三角网或导线网),以增强几何强度,改善定位精度。当有多台接收机时,应采用网定位方式,可检核和控制多种误差对观测量的影响,明显提高定位精度。卫星动态差分定位用一台接收机安置在基准站上固定不动,另一台接收机安置在运动载体上,两台接收机同步观测相同卫星,以确定运动点相对基准站的实时位置。动态差分定位根据采用的观测量不同,分为:以测码伪距为观测量的动态相对定位目前实时定位精度为米级以测相伪距为观测量的动态相对定位以预先初始化或动态解算载波相位整周未知数为基础目前在较小范围内(小于20km),定位精度达1-2cm。以相对定位原理为基础的实时差分GPS可有效减弱卫星轨道误差、钟差、大气折射误差以及SA政策影响,定位精度远远高于测码伪距动态绝对定位。动态差分定位中,根据数据处理方式不同,可分为:实时处理要求在观测过程中实时地获得定位结果无需存储观测数据但在流动站和基准站之间必须实时地传输观测数据或观测量的修正数据这种处理方式对运动目标的导航、监测和管理具有重要意义后处理在观测过程结束后,通过数据处理而获得定位结果可以对观测数据进行详细分析,易于发现粗差,不需要实时传输数据但需要存储观测数据。主要应用于基线较长,不需实时获得定位结果的测量工作由于建立和维持一个数据实时传输系统(包括无线电信号的发射和接收设备),不仅技术复杂,而且花费较大,一般除非必须获得实时定位结果外,均采用观测数据的测后处理方式。平差测量平差:依据某种最优化准则,由一系列带有观测误差的测量数据,求定未知量的最佳估值及精度的理论和方法观测误差的存在使得测量平差必要多余观测的存在使测量平差成为可能经典平差范畴:研究只带有偶然误差的观测近代平差范畴:研究同时带有偶然误差、系统误差、粗差的观测差分GPS的新进展①增强型系统特点伪卫星技术卫星通讯技术类型LAAS–LocalAreaAugmentationSystem采用地基伪卫星WAAS–WideAreaAugmentationSystem采用空基伪卫星采用通讯卫星发送差分改正数WAAS差分GPS的新进展②网络RTK(Real-TimeKinematic)作业模型类似RTK原理利用基准站网计算出用户附近某点(虚拟参考站)各项误差改正,再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标所计算出的距离之上,得出虚拟参考站上的虚拟观测值,将其发送给用户,进行实时相对定位。特点精度和可靠性高§6.1位置差分原理设已知基准站的精密坐标(x0,y0,z0),可求坐标改正数:用数据链发送出去,用户接收机接收后改正:顾及用户位置改正的瞬时变化,可得:用户坐标中消去了基准站与用户站的共同误差,例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等。优点:计算简单,适用各种GPS接收机。缺点:要求观测同一组卫星,近距离可做到,距离较长很难满足。位置差分只适用于基准站与用户站相距100km以内的情况。§6.2伪距差分原理差分定位是相对定位的一种特殊应用。高精度相对定位采用的是载波相位测量定位,而差分定位则主要采用伪随机码伪距测量定位。其基本方法是:在定位区域内,于一个或若干个已知点上设置GPS接收机作为基准站,连续跟踪观测视野内所有可见的GPS卫星伪距经与已知距离比对,求出伪距修正值(称为差分修正参数),通过数据传输线路,按一定格式发播测区内的所有待定点接收机,除跟踪观测GPS卫星伪距外,同时还接收基准站发来的伪距修正值,对相应的GPS卫星伪距进行修正然后,用修正后的伪距进行定位差分定位在基准站的支持下,利用差分修正参数改正观测伪距大大消减卫星星历误差、电离层和对流层延迟误差及SA的影响,提高定位精度。实时定位精度可达10~15m,事后处理的定位精度可达3~5m差分定位需要数据传播路线,用户接收机要有差分数据接口一个基准站的控制距离约在200~300km范围。1.伪距差分伪距差分是目前用途最广的一种差分技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。已知基准站精密坐标和用星历计算得到的某一时刻的卫星坐标,可计算卫星到基准站的真实距离:根据测量值可得伪距改正数及变化率:用户的改正伪距即为:利用改正的伪距按观测方程计算用户坐标优点:伪距改正是在WGS-84坐标上进行的,得到的是直接改正数,所以可到达很高的精度。可提供改正数及变化率,所以在未得到改正数的空隙内能继续精密定位。基准站提供所有卫星改正数,用户只需接收4颗卫星信号,结构可简单。缺点:与位置差分相似,伪距差分能将两站公共误差抵消但随用户到基准站距离的增加又出现了系统误差,这种误差用任何差分法都是不能消除的。基准站和用户站间距离对伪距差分的精度有决定性影响。星历提供的卫星钟与GPS时间不精确同步,卫星实际位置和计算位置不一致两地测量误差始终有无法校正的剩余误差。结论:用户站和基准站距离越大,用GPS差分得到的位置精度越低。卫星位置误差与GPS差分误差成正比关系。2.扩展伪距差分(广域差分)在一个广阔的地区内提供高精度的差分GPS服务,将若干基准站和主站组成差分GPS网。主站接收各个监测站差分GPS信号,组合后形成扩展区域内的有效差分GPS改正电文,再把扩展GPS改正信号发送出去给用户接收机。广域差分GPS的基本思想:对GPS观测量的误差源加以区分,将每一误差源的数值通过数据链传输给用户站,改正用户站的GPS定位误差引入电离层模型、对流层模型和卫星星历误差估算(包括卫星钟差改正)扩展伪距差分(广域差分)误差集中表现为三方面:星历误差:扩展差分依赖区域精密定轨确定精密星历取代广播星历。大气时延误差(电离层时延和对流层时延):广域差分通过建立精密区域大气时延模型,精确计算大气时延量。改正模型卫星钟差误差:广域差分可计算出卫星钟各时刻的精密钟表值。动态差分定位将一台接收机安设在一个固定站上,另一台接收机安置在运动载体上,在运动中与固定观测站的接收机进行同步观测,确定运动载体相对固定观测站(基准站)的瞬时位置动态相对定位的特点要实时确定运动点相应每一观测历元的瞬时位置动态相对定位与静态相对定位的基本区别动态观测站的位置也是时间函数。动态相对定位与静态相对定位一样的地方可以有效地消除或减弱卫星轨道误差、钟差、大气折射误差的系统性影响,显著提高定位精度。根据采用的伪距观测量的不同,一般分为测码伪距动态相对定位测相伪距动态相对定位。测码伪距动态相对定位法测码伪距观测方程的一般形式为:如果将运动点Ti(t)与固定点T1的同步测码伪距观测量求差,可得单差模型:若略去大气折射残差的影响,则简化为)()()()(~1ttctttjjij
本文标题:第六章-GPS差分定位技术基本原理
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