第五讲-广域实时精密定位

卫星导航定位技术研究中心广域差分与广域精密定位1主要内容•为什么差分?•差分是如何实现的?•将来差分技术如何发展?2一.为什么差分?3GPS定位的误差分析4对流层延迟电离层延迟真实卫星位置包含轨道误差的卫星位置观测到的卫星位置卫星轨道误差卫星钟误差卫星硬件延迟天线相位中心偏差接收机钟误差接收机硬件延迟接收机相位中心偏差接收机天线相位绕转多路径效应卫星天线相位中心绕转基本思想是对GPS的卫星轨道误差、卫星钟差及电离层延迟等主要误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以“模型化”，计算其误差修正值，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的影响，改善用户的定位精度的目的（刘经南等，1999）。广域精密定位技术•基于广域差分基础上,对导航卫星实时精密定轨、实时钟差确定等核心技术进行革新、用户采用精密单点定位技术，实现全球分米级（双频）的实时定位。5状态空间域差分观测值域差分差分原理6网络RTK广域差分/广域精密定位•动态定位精度cm级•需要基准站观测数据支持,站间距100公里,难以实现大区域统一的定位服务•初始化时间短,模糊度固定•动态定位精度dm级•需要基准站观测数据支持,适合实现大区域（全球）统一的定位服务•模糊度难以整数固定，初始化时间长，未能充分发挥载波定位的优势三种技术应用需求(精度)网络RTK（厘米级)广域精密定位(亚米、分米级)广域差分(1-3米级)7发展历程伪距单点定位(1980~1995)精密单点定位(1995~)实时精密单点定位(2000~)IGS实时试验计划RTPP(2006~)8IGS轨道产品[GPSBroadcastvaluesincludedforcomparison]--updatedfor2009!AccuracyLatencyUpdatesSampleIntervalGPSSatelliteEphemerides/Satellite&StationClocksBroadcastorbits~100cmrealtime--dailySat.clocks~5nsRMS~2.5nsSDevUltra-Rapid(predictedhalf)orbits~5cmrealtimeat03,09,15,21UTC15minSat.clocks~3nsRMS~1.5nsSDevUltra-Rapid(observedhalf)orbits~3cm3-9hoursat03,09,15,21UTC15minSat.clocks~150psRMS~50psSDevRapidorbits~2.5cm17-41hoursat17UTCdaily15minSat.&Stn.clocks~75psRMS~25psSDev5minFinalorbits~2.5cm12-18dayseveryThursday15min9发展历程伪距单点定位(1980~1995)精密单点定位(1995~)实时精密单点定位(2000~)IGS实时试验计划RTPP(2006~)10JPL\NRcan进展情况11发展历程伪距单点定位(1980~1995)精密单点定位(1995~)实时精密单点定位(2000~)IGS实时试验计划RTPP(2006~)12IGS服务组织实时服务发展计划•2002年，IGS成立实时工作组（RTWG）•2006年，IGSWorkshop2006会议，IGS实时数据流试验计划，目标：发布实时产品，包括：卫星钟差、基准站钟差、卫星轨道、实时轨道完备性信息。•2007年6月，IGS组织重申将GNSS实时数据与产品作为2008-2012年的战略计划。同时，确定在2007-2010年开展IGS实时试验计划（TheInternationalGNSSServiceReal-timePilotProject，简称IGS-RTPP）。13RTPP目前进展36个国家64个机构185个实时站14实时数据流接收15实时数据流接收16NTRIPNetworkedTransportofRTCMviaInternetProtocol.BKGigs.bkg.bund.deUDPUserDatagramProtocol.JPL实时产品比较17平均精度水平:BKG:7.73cmESA:7.02cmGFZ:8.01cm平均精度水平BKG:0.128nsESA:0.131nsGFZ:0.313ns二.差分是如何实现的?18WAAS（WideAreaAugmentationSystem）是美国FAA作为民用航空无缝卫星导航系统战略目标的关键组成部分，它将提高覆盖区域内GPS的精度（采用差分技术）、完好性（提供及时的报警能力）和可用性（通过附加测距信号）。WAAS的目标是要使GPS能够成为民航飞机从起飞至Ⅰ类精密进近阶段的主用导航方式。WAAS系统主要由四部分组成：地面广域参考基站，WAAS主控站，WAAS上传站和地球同步卫星等，其工作可以分为四个过程：广域增强系统WAAS及工作原理WAAS工作进程一：参考基站接收GPS信号在美国境内，广泛地分布着多个参考基站WRS，每个基站都已知其准确的地理位置，通过接收GPS信号可探测出GPS信号中的误差。WAAS工作进程二：基站向主控站传输GPS误差数据广域参考基站WRS收集的GPS信息，通过地面的通讯网络传输到WAAS主控站WMS，主控站生成WAAS增强信息，这些信息包含了消除GPS信号误差的信息。WAAS工作进程三：WAAS增强信息上传GEO增强信息由WASS主控站WMS传输到WAAS上传站，上传站调制成导航数据，并上传到地球同步通讯卫星。WAAS工作进程四：GEO增强信息向用户传播GEO通讯卫星以GPS信号频率向地面广播有增强信息的导航数据，地面接收机接收WASS增强信号得到更加精确的定位。WAAS也给用户提供GPS系统误差或其他不良影响的信息，当存在危险的误导信息时，WAAS能在六秒内发布给用户。星基增强系统的发展现状24SystemofDifferentialCorrectionandMonitoring(SDCM)25Galileo系统服务26Galileo系统服务公开服务商业服务公共事业服务覆盖范围全球全球局部全球局部精度15-20m(单频)5-10m(双频）5-10m(双频)10cm-1m4-6m(双频)1m(局部增大)完好性－附加值服务必要条件访问控制免费访问附加值数据的受约访问局部修正数据的受约访问导航码和（或）附加值数据的受约访问局部修正数据的受约访问服务保证无可能的服务担保提供认证以及可能的服务担保工作期间的连续性风险8×10-6/15s8×10-6/15s8×10-6/15sQZSS28SBAS信号GPS现代化29GPS现代化(CNAV电文)EDC卫星星历差分改正数CDC时钟差分改正数StarFire全球差分系统30系统组成与原理两个控制中心：Torrance,CaliforniaMoline,Illinois基准站数据延迟2秒数据处理软件RTG1次/秒钟差处理1次/分钟轨道处理31Fugro的OmniSTAR•由JPL提供技术支持，在GDGPS系统软件基础上发展而来的自主软件进行轨道和钟差改正的估计•全球范围内的70多个基准站•7颗同步卫星，覆盖全球的播发能力。32XP与HP服务33提供的服务与精度水平•提供3种级别的服务：VBS,HP,andXP•OmniSTARVBS：一般24小时的定位结果在水平方向其2倍中误差（95%的置信度）小于1m，3倍中误差（99%置信度）接近1m•TheOmniSTARHP：在水平方向，其2倍中误差（95%）在6cm左右，3倍中误差（99%）在10cm左右。这一精度使之可以应用在精密农业等领域•ThenewOmniSTARXP：在短时段内可以提供2.5-5cm的定位精度，长时间定位的重复性优于10cm（%95CEP）•中国区域只提供VBS与XP服务34G2服务35加拿大CDGPS系统36RTCA0.125mMRTCA0.004m37广域实时精密定位技术与示范系统覆盖中国及周边地区实时定位精度：双频接收机：分米级单频接收机：1米级系统数据流程图ObservationDataManagementDataProcessingCenterEstimatorBNSTableFileAutoUpdateInternetOrbit&ERPReal-timeDataSourceCORSIGSTrackingNetworkIGS/IERSServerNtripCasterBNCDatacollecttingDatabaseInternetPrecisePointPositionInternetUserCorrections38软件平台39差分信息客户端软件终端定位软件测试各类终端（双频）40测试各类终端（单频）411小时更新的实时轨道精度：5.4cm区域站＋全球站外推一天:20cm70个全球IGS实时数据站导航卫星的实时精密轨道产品轨道钟差产品测试From129to191dayin2010SISRE:about3cm43数据处理结果442292302312322332342350.000.020.040.060.080.100.000.020.040.060.080.10229230231232233234235DOYRMS.[m]NEUIGSRT双频接收机05000100001500020000250003000035000400004500050000-2-1012340.00.51.01.52.0229230231232233234235NEUEPOCHdifference.[m]DOYRMS.[m]NEURT：N:1.9cmE:3.0cmU:7.3cmPP：N:1.6cmE:2.6cmU:4.5cm单频接收机Horizontal:0.38m;Vertical:1.35m关键技术分解22(1)UNEGDOPSISREUERE2221()()49SISRERCLKAC定位精度双频0.3m单频1.0m轨道与钟差产品(0.2m)传播路径延迟(电离层)(0.5m)卫星轨道(0.2m)卫星钟差(0.3ns)星座几何图形因子(系统1-2)系统关键技术需求461.导航卫星精密实时定轨技术2.导航卫星实时精密钟差处理技术3.实时区域电离层改正技术4.精密单点定位技术(单/双/多频)导航卫星精密定轨sR2Y()G(X(t),R(x+x),P(t))W()tt卫星运动方程观测方程nessis13i=1sGMX()=X()+F(X(),Q())W()X()tttttt事后精密定轨：–长弧段定轨（1天快速轨道、7天事后轨道）–全球分布的基准站网，70个以上–大网整周模糊度固定实时精密定轨关键问题：–快速更新，处理速度要快，实时处理的弧段要尽量短–精度问题，需要采用先验的弧段，数值稳定卫星精密定轨方法研究重点在于快速精确地更新轨道初值与力模型参数导航卫星实时精密定轨方法滑动窗口短弧法方程综合的实时精密定轨方法预报的实时轨道弧段估计的准实时轨道弧段kt1kNt先验信息轨道弧段...1kt......2kt3ktkNt1kNt...2kNt3kNt...陈旧信息轨道弧段1c2c3c...轨道初始状态优点：1.处理速度快，法方程合并中大量的参数可以预先消去。2.快速初始化，只需处理当前弧段数据。3.数值稳定，通过选择滑动窗口长度限定记忆长度，克服“数据饱和”问题。4.可有效进行模糊度固定，大大提供实时定轨的精度。短弧段连接111111111()()()()()()kkkkkkkkkkkkrtrtrtrtqtqt卫星运动状态连接观测条件的连接模糊度参数地面站坐标对流层….kt1kt2kt位置：速度：力模型参数.1,1,1,1,1()kkkkkkwkk