第四章 广域差分GPS

前节回顾相对定位的缘由动态相对定位——概念、原理静态相对定位——载波相位观测量单差(Single-Difference—SD)消除了与卫星有关的误差，如卫星钟差；站间距不大时可消除大部分大气误差；多测站时注意选取基站；双差(Double-Difference—DD)在一次差的基础进一步消除了与接收机有关钟差项；注意选取基星；GPS基线向量处理时常用的模型；三差(Triple-Difference—TD)在双差的基础上进一步消除了初始整周未知数；当然还有一些其它的载波相位观测值的线性组合；SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化差分GPS测量原理与广域差分GPS同济大学海洋与地球科学学院赵晶2009.4.20一、差分GPS测量原理绝对定位主要误差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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。根据时效性实时差分事后差分根据差分改正数类型伪距差分位置差分(坐标差分)载波相位差分根据工作原理和差分模型局域差分单基准站差分多基准站差分广域差分位置差分距离差分距离改正坐标改正一、差分GPS分类一、差分GPS测量原理伪距差分原理应用最广的一种差分：在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离，再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，用户在测出的伪距基础上进行改正，求出经改正后的伪距，提高定位精度。优点：基准站提供所有卫星的伪距改正数，用户站观测任意4颗卫星即可定位，增大了应用范围。缺点：差分改正计算的数学模型较复杂。差分数据的数据量较多。差分精度随用户至基准站距离增加而降低。一、差分GPS测量原理位置差分原理)(/)()(/)()(/)(000ttdtZdZZZttdtYdYYYttdtXdXXXpppppp基站流动站计算坐标值已知坐标值坐标偏差坐标改正特点：消去了基准站和用户站的共同误差，提高了定位精度；站间距离在100km以内优点：差分改正计算的数学模型简单；差分传输的数据量少；计算方法简单；任何接收机均可使用；缺点：基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星；定位效果不如伪距差分；一、差分GPS测量原理载波相位差分原理：P102，分为改正法和求差法，改正法与伪距差分类似。流动站的坐标基站流动站相位观测值求差法(RTK)相位观测值差分计算消去公共误差，能实时给出厘米级高精度的定位结果。电台的功率限制了用户到基准站距离，作用范围几十公里。广泛用于工程测量中。一、差分GPS测量原理载波相位差分原理求差法：又称RTK(RealTimeKinematic)技术，即是将基准站采集的载波相位值发送给用户接收机，用户接收机进行求差解算自身坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级，已经大量应用于需要点位高精度的动态测量领域。RTK技术RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了实时动态载波相位差分（Real-timekinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。RTK的基本思想在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。RTK技术流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周未知数的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。RTK技术的关键RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术。RTK定位时，要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。实时动态(RTK)测量系统的设备配置GPS接收设备;数据传输系统;软件系统；实时动态(RTK)测量系统的设备配置RTK测量系统中，至少包含二台接收机，分别安置在基准站和用户站上。基准站应设在测区内地势较高、视野开阔、且坐标已知的点上。在城区可考虑设在楼顶平台上。作业期间，基准站的接收机应连续跟踪全部可见GPS卫星，并将观测数据通过数据传输系统，实时地发送给用户站。当基准站为多用户服务时，应采用双频GPS接收机，且其采样率应与用户站接收机采样率最高的相一致。数据传输系统数据传输系统(或简称数据链),由基准站的发射台与用户站的接收台组成,它是实现实时动态测量的关键设备。数据传输设备,要充分保证传输数据的可靠性,其频率和功率的选择主要决定于用户站与基准站间的距离、环境质量、数据的传输速度。支持实时动态测量的软件系统软件系统的质量与功能,对于保障实时动态测量的可行性,测量结果的精确性与可靠性,具有决定性的意义.以测相伪距为观测量的实时动态测量,其主要问题在于载波相位初始整周未知数的精密确定、流动观测中对卫星的连续跟踪、以及失锁后的重新初始化问题。目前,由于快速解算和动态解算整周未知数的发展,为实时动态测量的实施奠定了基础。软件系统应具有基本功能快速解算，或动态快速解算整周未知数;根据相对定位原理，采用适当的数据处理方法(例如序贯平差法)，实时解算用户站在WGS-84中的三维坐标;根据已知转换参数，进行坐标系统的转换;解算结果质量的分析与评价;作业模式(例如,静态,快速静态,准动态和动态等工作模式)的选择与转换;测量结果的显示与绘图;RTK技术如何应用各种控制测量——城市、矿山等区域性的控制测量，工程测量和地籍测量等，定位精度可达1～2cm；地形测图；放样测量——地籍测量、碎部测量、路线测量和工程放样等，定位精度可达厘米级；测量,绘图,GIS矿山开采精细农业工程建设海洋测量可以离岸边很远差分GPS的新进展网络RTK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精度和可靠性高网络RTK二、广域差分GPS根据构成差分GPS系统的基准站个数：单基准站差分GPS多基准站局部区域差分GPS广域差分GPS单基准站差分GPS(SRDGPS)根据一个基准站提供的差分改正信息对用户站进行改正；构成：基准站(1个)、无线电数据通讯链、用户站优点：结构、算法简单；缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降；单个基准站，定位精度和可靠性较差；改正措施？——监控站，信号检验基准站数据通讯链流动站（用户）多基准站局部区域差分GPS(LADGPS)构成：基准站(多个)、无线电数据通讯链、用户站作用距离在100km；用户接收的是坐标、伪距、相位等改正；用户采用加权平均法或最小方差法平差优点：差分精度及可靠性增大，差分范围增大；缺点：差分计算模型不完善，差分范围仍然有限，基准站密度和均匀度；广域差分GPS(WADGPS)广域差分GPS技术的基本思想:对GPS观测量的误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以“模型化”，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值通过数据通讯链传输给用户，用户GPS接收机对观测误差加以改正，以达到削弱这些误差源的影响，改善用户GPS定位精度的目的。主要对三类误差源取模：星历误差、大气延时误差、卫星钟差误差；构成：主站、监测站、数据通讯链和用户站。广域差分GPS系统的工作流程在已知的多个监测站上，跟踪观测GPS卫星的伪距、相位等信息；监测站将所接收的信息全部传输到主站；主站计算出三项误差改正，将这些误差改正用数据通讯链传输给用户；用户根据这些误差改正自己观测到的伪距、相位、星历等信息，计算出高精度定位结果。广域差分GPS系统的特点用户的定位精度对空间距离的敏感程度比较小；比区域GPS网需要的监测站数量少，投资小，经济效益好；定位精度较区域差分GPS系统高，且分布均匀；可扩展到区域差分GPS不易发挥作用的地域；软件技术复杂，硬件设备昂贵，运行和维护费用高。差分GPS的新进展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周跳探测及整周未知数的确定方法