差分GPS

GPS定位技术——差分GPS技术一、GPS系统的提出全球定位系统是美国国防部部署的一种卫星无线电定位导航与报时系统,GPS是全球定位系统的简称。20世纪50年代后期,美国派侦察船跟踪侦察苏联向太平洋发射洲际弹道导弹时发现,如果知道导弹轨迹,就可推出船的位置,那么导弹换成在轨卫星也行。在此思想指导下,1958年底,美国海军委托霍普金斯大学应用物理实验室研究军用舰艇导航服务的卫星系统,即海军导航卫星(又称子午仪导航系统),于1964年1月研制成功,用于北极星核潜艇的导航定位并逐步用于各种军舰导航定位。尽管子午仪导航系统已得到广泛的应用,并显示出巨大的优越性,但也存在严重缺陷,一台接收机需观察15次合格卫星通过才能达到10m的单点定位精度,而且只能给出2维坐标———经度和纬度,不能给出高程。鉴于子午仪导航系统存在的缺陷及海陆空三军和民用部门对导航要求越来越高,美国于1973年正式开始GPS的研究和论证工作。开始方案是24颗卫星平均分布在互成120°的3个轨道平面上,对于地球上的任何位置均能同时观测到6~9颗,后调整为18颗卫星分布在互成60°的6个轨道面上,每个轨道面上布3颗,彼此相距120°,从一个轨道面到下一个轨道面的卫星错动40°,保证地球上任何一点均能同时观察到4颗星,经过一段实验后于1990年初对卫星配置进行第三次修改,最终由21颗工作卫星和3颗在轨备用星组成,于1993年建成(如图1)。除了美国的GPS之外,俄罗斯也拥有类似系统———全球导航卫星系统,于1995年建成,我国于2000年先后发射了两颗自行研制的“北斗导航试验卫星”,构成北斗导航系统,标志着我国将拥有自主研制的第一代卫星导航定位系统。二、GPS系统的组成GPS系统由导航星座、地面台站和GPS接收机3部分组成。导航星座由21颗工作星和3颗备用星,分布在6条轨道上,轨道呈圆形,偏心率为0·01,轨道高度20200km,倾角55°,运行周期为12小时,每颗星以1575·42Hz和1227·60Hz两种频率为军事用户播发加密的高精度导航数据(P码),定位精度可达10米,测速精度0·1m/s,授时精度为10ns,同时以1575·42Hz的频率为民用用户播发精度较低的导航数据(C/A码),定位精度100米。GPS地面站由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。监测站对每颗卫星长年连续不断地进行观察,每6秒进行1次伪距测量和积分多普勒观察。采集气象要素,定时将观测数据送往主控站,经大型计算机计算各卫星原子钟钟差、电离层、对流层校正参量等各种测量数据,编制各卫星星历,编成电文发送到注入站,当卫星通过注入站视界时,注入站通过S波段发射机将导航信息注入卫星,每天1次,然后由卫星实时地播送给用户。GPS系统采用无源工作方式,用户不需向卫星发射信息或询问而只接收由导航星送下的信息,所以用户设备主要包括导航接收机和处理控制解算显示设备。三、GPS的原理及差分GPS技术GPS的主要用途是导航、定位。确定运载体(飞机、舰船等)当时所处位置为导航的最基本任务,这一任务叫“定位”,它是完成其他各项导航任务的基础。由于地球的自转,以地球为中心建立的坐标系在自转中不断变化,不适于对宇宙空间的卫星定位,在导航系统中表示位置是利用天球极轴、春分点轴,以及赤道平面垂直于春分点轴的一条线构成的宇宙直角坐标系,用X、Y、Z表示3个轴。用户借助导航卫星确定自己的位置,可分3步实现:已知卫星在某指定坐标系中的位置(A1、Y1、Z1),测得用户相对卫星的位置(X-X1、Y-Y1、Z-Z1),计算用户在指定坐标系中的坐标(X、Y、Z)。实际上为便于测量,常用的是卫星角度、距离、距离差、速度等参量,借助这些参量,加上卫星发布的星历(内含坐标),便可算出用户在指定坐标系中的坐标,这些参量称之为导航定位参量。在众多导航参量中用得最多、测量最方便的是测距导航法,GPS的导航定位就采用此法。距离、距离和、距离差的测量是利用电波在空间传播速度为常数、传播路径是直线的特点,通过测量电波在空间传播的时间来实现,因此精密测距问题,实质上是精密测时问题,GPS的时间基准由原子钟提供,精度达10ns,在此精密时间标准下,测距精度是非常高的。卫星测距定位法有3种:2颗星有源定位,3颗星的无源定位,4颗星无源测距定位。由于前两种方法需以地球表面作第三参考面,才可确定地球上用户坐标,故GPS是建立在以4颗卫星测距基础上的测距定位系统。美国政府在GPS设计中,计划提供两种服务,一种是利用粗码(C/A码)的标准定位服务,精度约100米,供民间用户;另一种是利用精码(P码)的精密定位服务,精度10米,提供给军方和得到特许的民间用户。但试验表明,C/A码定位精度达14米而P码定位精度达3米,这一现实与原计划矛盾,于是美国政府采用了SA政策,即人为将误差引入卫星时钟和卫星数据中,故意降低GPS的定位精度,目的是使非特许用户不能获得高精度定位用于军事目的,从而使C/A码定位精度降到100米,于1991年7月1日开始对全部在轨导航星实施SA技术。为了在SA政策下提高实时定位精度,差分GPS技术应运而生。（此项技术产生的原因）差分技术实际是一个测站对两个目标的观测量,两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差,目的在于消除公共误差和公共参数。差分GPS定位就是将卫星钟误差和星历误差消除,并将电离层延迟和对流层延迟误差部分消除,定位精度可提高至15米,甚至更高。差分技术能消除的误差有：多台接收机公有的误差，如卫星钟差、星历误差、电离层误差、对流层误差以及美国政府实施的选择可用性(SelectiveAvailability)政策等。四．(DGPS)差分定位技术分类(一)按作用范围分类1.局域DPGS定位技术局域DGPS(LocalAreaDGPS，即LADGPS)定位系统是由基准站、数据通信链和用户站组成，可向用户提供综合的DCPS改正信息—观测值改正，而不是提供单个误差源的改正，其作用范围比较小，例如在150km之内。LADGPS提高用户站定位精度的原理是建立在基准站和用户站对GPS卫星的同步同轨迹的基础上的。2.广域DGPS定位技术广域DGPS(WideAreaDGPS，即WADGPS)定位系统一般由一个主控站、若干个GPS卫星跟踪站(又称基准站或参考站)、一个差分信号播发站、若干个监测站、相应的数据通信网络和若干个用户站组成。WADGPS技术是将GPS定位中主要的误差源分别加以“模型化”，计算出每一个误差源的误差修正值(差分改正值)，通过数据通讯链传输给用户，对用户GPS接收机的观测值误差加以改正，以达到削弱这些误差源影响，改善用户GPS定位精度的目的。(二)按基准站发送的信息方式分类1位置差分最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其它误差，解算出的坐标与基准站的己知坐标之间存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。2伪距差分伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置。与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着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，用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。3载波相位差分差分CPS能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、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。载波相位差分技术(RealTimeKinematic，即RTK)是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。位置差分、伪距差分和相位差分的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。五．差分GPS(DPGS)的原理利用差分GPS技术消除基准站和用户之间共有误差的原理很简单，就是分别用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号,其中一个测站的位置坐标是已知的，安放在该已知点(基准点)的GPS信号接收机，叫做基准接收机，基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进行比较，便可获得GPS定位数据的改正值。如果及时将GPS改正值发送给若干台共视卫星用户的动态接收机，并修正其所测得的实时位置，就可消除用户位置测量中与之相关的误差，如图2所示。图2差分动态定位原理框图为解决上述数据传输问题，目前有用地面无线发射台传送差分修正参数，也有采用低轨道微型卫星作为差分基准网的数据转发器，传输信息。同时为克服DGPS控制面积小，需设基准站点多的缺点，随着技术的发展和各种不同用户的需求，已形成本地差分系统(LADS)、本地增强系统（LAAS）、广域差分系统（WADS）、广域增强系统（WAAS）等。据斯坦福大学计算机模拟实验，采用广域差分定位，在美国只需设置1个主控站和15个地面基准站，即可提供差分定位服务，提高定位精度。六．差分GPS近几年的发展及主要应用（一）差分GPS近几年的发展GPS实时差分动态定位以其精确、实时连续获取地理和目标的时空信息能力向人类社会经济活动的广度和深度方面渗透。它改变了现代战争机器的运作方式、进程乃至战略战术，它也开辟了各行各业运行管理的新模式。差分GPS与各种技术的组合构成新的系统是GPS动态定位生命力的源泉.例如.差分GPS与耕作机器及信息系统组合已用于大田作物定时定点合理培育、羊群牧放、粮食估产和远洋捕鱼等农牧业管理，它与声纳微波等仪器组合成为现代海洋工程的必备设备，与地质雷达的组合构成建立城市管线信息系统的有力工具，与电子地图影像地图合成与车辆、飞机和火箭等机动载体导航和制导的主要手段，与光纤陀螺或天线平台组合构成多种航空航天器高精度姿态确定和控制的最新方法。当前，差分GPS技术的发展正处在一个深刻变革的新阶段。其最为重要的三个标志是所谓广域差分GPS系统(WADGPS),广域增强GPS系统(WAAS)和地基伪卫星技术(Ground-basedpesudolite)。随着时间的发展又出现了星基广域差分GPS，WADGPS技术原理是利用设在已知坐标点上的一个主站和多个副站对卫星进行同步观测,信号实时传给主站,通过对GPS观测量的误差源分别加以区分和“模型化”,然后计算出来的每一个误差源的修正值(差分值),实时地将改正数据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定位精度的目的。伪卫星增强的DGPS：DGPS是一种误差补偿方法,能改善GPS定位及授时性能。基准站为用户接收机提供差分改正数且将其播发出去,用户在进行GPS卫星观测的同时也接收基准站发出的差分改正数信息,以此来精确解算用户坐标。差分技术与伪卫星结合起来即伪卫星差分技术,将系统中的一颗伪卫星同时用作DGPS基准接收机,伪卫星一方面向用户发射与GPS同频谱的导航信号,另一方面还完成DGPS基准接收机的功能。（二）差分GPS的广泛应用差分GPS技术在地籍和房地产测量中的应用：在城市建设用地勘测定界测量中,利用差分GPS定位技术可以实时测定界桩位置,确定土地使用界限范围、计算用地面积。利用差分GPS技术进行勘测定界放样是坐标的直接放样,建设用地勘测定界中的面积量算,实际上由GPS软件中的面积计算功能直接计算并进行检核。避免了利用常规解析法放样的复杂性,简化了建设用地勘测定界工作程序。而且在土地利用的动态检测中,也可利用差分G