差分GPS原理及应用

卫星定位导航实验报告题目：差分GPS原理及应用学院：信息与电气工程学院专业：班级：姓名：学号：2014年10月29日一、GPS技术前景由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到10米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在中国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。二、差分GPS基本原理1.伪距差分伪距差分是指采用测距码测距，在基准站上（已知点）上，通过“已知距离”（测站坐标和卫星坐标反算的距离）与伪距观测值比较，确定距离改正数后传送给用户，用户据此对观测伪距进行改正，然后用改正后伪距观测值解算测站坐标。各个卫星的距离改正数是不同的，因为距离改正数中包含了卫星坐标误差的因素，因此只有与基准站同步观测的卫星，才可以得到距离改正。伪距差分是目前应用广泛的一种差分定位技术。由于伪距差分可提供单颗卫星的距离改正数，因此用户站可选其中任意4颗相同卫星的伪距改正数进行改正，而不必要求两站观测的卫星完全相同。伪距改正数是直接在WGS-84坐标系上进行的，是一种直接改正数，不必先变换为当地坐标，定位精度较高，且使用方便。由于伪距差分定位依赖于两站公共误差的抵消来提高定位精度，误差抵消的程度决定了精度的高低。而误差的公共性在很大程度依赖于两站距离，随着两站距离的增加，其误差公共性逐渐减弱，用户站离基准站的距离越大，伪距差分后的剩余误差越大，定位精度越低。2.位置差分基本原理与伪距差分相同，所不同的是基准站传送的是坐标改正数而已。位置差分的优点是需要传输的差分改正数较少，计算方法较简单，任何一种GPS接收机均可改装成这种差分系统。设已知基准站的精密坐标(x0,y0,z0)，可求坐标改正数：△X=X*-X0△Y=Y*-Y0△Z=Z*-Z0用数据链发送出去，用户接收机接收后改正：Xu=Xu*+△XYu=Yu*+△YZu=Zu*+△Z顾及用户位置改正的瞬时变化，可得：Xu=Xu*+△X+dtd)Xu-X(*△（t-t0）Yu=Yu*+△Y+dtd)Yu-Y(*△（t-t0）Zu=Zu*+△Z+dtd)Zu-Z(*△（t-t0）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。优点是计算简单，适用各种GPS接收机。缺点是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。3.载波相位差分载波相位差分原理与伪距差分原理相同，只不过距离观测值采用载波相位观测观测值而已。差分GPS的出现，能实时给定裁体的位置，精度为米级，满足不了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中随之而来的是更加精密的测量技术——载波相位差分技术。载波相位差分技术建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位．并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。实现载波相位差分GPS的方法分为两类：（1）修正法：与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。为准RTK技术。（2）差分法：后者将基准站采集的载波相位发送给用户进行求差解算坐标。为真正的RTK技术。实时差分动态（RealTimeKinematic——RTK）测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。它是GPS测量技术发展中的一个新的突破。RTK测量技术，是以载波相位观测量为依据的实时差分GPS测量技术。RTK测量技术是准动态测量技术与OTF算法和数据传输技术相结合而产生的，它完全可以达到“精度、速度、实时、可用”等各方面的要求。4.相位平滑伪距差分：伪距差分实际上是在测站之间求伪距观测值的一次差，因而消除了两伪距观测值中所含有的共同的系统误差，但是却无法消除伪距观测值中所含有的随机误差，从而限制了伪距差分定位的精度。载波相位测量的精度较测距码伪距测量的精度高2个数量级，如果能用载波相位观测值对伪距观测值进行修正，就可提高伪距定位的精度，但是载波相位整周数无法直接测得，因而难以直接利用载波观测值。虽然整周数无法获得，但可由多普勒频率计数获得载波相位的变化信息，即可获得伪距变化率的信息，可利用这一信息来辅助伪距差分定位，称为载波多普勒计数平滑伪距差分。另外，在同一颗卫星的两历元间求差，可消除整周未知数，可利用历元间的相位差观测值对伪距进行修正，即所谓的相位平滑伪距差分。5.局域差分GPS系统（LADGPS）局域差分GPS系统是在局部区域中应用差分GPS技术，先在该区域中布设一个差分GPS网，该网游若干个差分GPS基准站组成，还包括一个或者数个监控站。位于该局域GPS网中的用户根据多个基准站所提供的改正消息，经平差后求得自己的改正数。该技术原理是根据主控站和用户站在一定距离内对GPS卫星同步同轨观测值之间存在的相关性,使用户站利用主控站提供的GPS定位误差的综合改正信息,来提高定位精度。LADGPS的作用半径比较小,例如通常伪距差分的作用半径不超过150km,这时用户站的实时定位精度一般可提高至±3m～5m。6.广域差分GPS系统（WADGPS）全球定位系统(GPS)受美国AS和SA政策影响,导致我国GPS用户实时定位精度降低到100m左右。美国政府虽于1996年初曾宣布在今后十年内考虑分阶段停止SA，但即使停止SA政策的实施，GPS实时定位精度也难于高过±15m~30m。因此，从目前和今后的需要考虑，建立和发展差分GPS系统是提高GPS实时定位精度最为有效的技术手段之一，WADGPS技术原理是对GPS观测量的误差源分别加以区分和“模型化”，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值(差分值)通过数据通讯链传输给用户，对用户在GPS定位中的误差加以修正，以达到削弱这些误差源和改善用户GPS定位精度的目。.这种方法不仅削弱了LADGPS技术中主控站和用户站之间定位误差对时空的相关性，而且又保持了LADGPS的定位精度。因此在WADGPS系统中，只要数据通讯链有足够能力，主控站和用户站间的距离原则上是没有限制的。WADGPS系统一般由一个主控站，若干个GPS卫星跟踪站，一个差分信号播发站，若干个监控站，相应的数据通讯网络和若干个用户站组成。按目前通行的WADGPS对通讯的技术要求是：跟踪站需不间断（至少3s间隔）地实时地向主控站传输GPS卫星的跟踪数据，主控站要通过差分信号播发站对在1000km范围内的用户不间断地发播差分改正值，其更新率大体是：星历3min，星钟6s，电离层1h。这种传输首先必须是高速率的，否则差分改正的讯龄和时间差会变大而降低导航和定位精度；同时必须是低误码率，否则不能保证用户定位的完备性。总之，WADGPS系统对数据通讯的要求是：(1)传输数据量大；(2)实时传输；(3)高速率；(4)传输距离长；(5)覆盖面大；因此，如何实现这一数据通讯网络是建立WADGPS系统的技术关键。7.差分GPS系统差分GPS系统由基准站、计算中心、通信链路和用户设备组成。图1差分GPS系统框图三、差分GPS应用1.高精度全球差分GPS的应用众多的军用、商用、民用和科学技术应用都要求精确、实时地已知平台的位置和速度。实时动态(RTK)技术已经在数公里的范围上实现了cm级,甚至更优的实时GPS定位。对于用,广域差分系统例如美国联邦航空局的广域增强系统、美国海岸警卫队的连续运行基准站(CORS)以及各种商用的差分系统都提供了m级的定位精度。但是,由于受限于现有的技术和研制费用的制约,cm级的(地面、机载和空载)实时定位还未能得以实现。由美国国家航空与航天局喷气推进实验室开发的新型全球差分GPS(GDGPS)系统提供了这一能力的突破性进展,实现了双频GPS接收机的无缝全球实时定位,精度优于20cm。不计其数的导航、商用和安全服务,如飞机的导航、测地、舰队管理、挖掘、搜索和救援等都能从这一定基准站计算中心用户设备导航卫星通信链路位精度中获益。以前仅能在具有大量基础设施的区域获得的服务,现在很容易扩展到世界任何地方,且不会降低其性能等级。2.差分GPS技术在地籍测量中的应用城镇地籍测量的传统方法是解析和图解法。解析法是现场采集角度和距离来解算界址点坐标的方法。采用的仪器有全站仪和电子手簿，也可以是常规测量仪器如平板仪、经纬仪等。解析法获得的是界址点和其他地籍要素的坐标。另一种方法就是图解法，直接把界址点和地籍要素的位置测绘于图上。测量仪器可以是平板仪、经纬仪，或采用航空摄影。差分GPS(DGPS)则是最近几年发展起来的一种新的测量方法。在具体外业测量中,可以根据精度要求的不同，选用静态差分定位,快速静态差分定位，动态差分定位或实时动态差分(RTK)等不同的作业模式。其中RTK技术能够在野外实时得到厘米级的定位精度。RTK技术能够减少野外观测时间，实时地给出差分定位结果，历时不到1s，更为重要的是,由于RTK技术是实时给出每一历元的定位结果，测量人员可以监测基准站与测站观测结果的质量和解算结果的收敛情况，提高了GPS测量工作的可靠性和高效性，避免测量结果有误差带来的重测工作量。四、参考文献1.王侬，廖元焰，地籍测量[M]北京：测绘出版社，1996。2.王广运，郭秉义等，差分GPS定位技术与应用[M]。北京：电子工业出版社，1996。3.高建新，Eurofix系统及其发展[J]。测绘技术装备，2000。4.陈俊勇。论差分GPS导航系统的技术指标和运行功能导航，1996。