5.GPS差分定位基本原理

GPS差分定位基本原理差分GPS定位方法根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送。用户不但接收GPS信号，同时也接收基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，以提高定位精度。分为单基站差分、多基准站的局部区域差分和广域差分差分定位基本原理tropionijRijRiddtc~基准站tropionijRijRiddtcPP误差误差~PjMij~~修正移动目标tropionijMijMiddtc~修正量概述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1PDOPPDOPPDOP：PositionDilutionofPrecision,位置精度衰减因子差分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用户接收到坐标改正数对其计算得到的坐标进行改正。经过坐标改正后的用户坐标已经消去了基准站与用户的共同误差，如星历误差、大气折射误差、卫星误差，提高精度。位置差分GPS是一种最简单的差分方法。安置在已知精确坐标基准站GPS接收机，利用数据链将坐标改正数发送给用户。伪距差分伪距差分时目前应用最为广泛的一种差分定位技术。通过在基准站上利用已知坐标求出站星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，并将测距误差传输给用户，用户用此来对测距进行相应改正。但伪距差分很大程度上依赖两站距离，随着距离增加，其公共误差减弱，如对流层、电离层，因此应考虑距离因素。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。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。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。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。扩展伪距差分（广域差分）►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。相位平滑伪距差分原理►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。相位平滑伪距差分原理►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。载波相位差分原理►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。载波相位差分原理►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：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．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。载波相位实时动态差分技术——RTK（RealTimeKinematic）GPS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根据的实时差分GPS测量技术。►RTK测量技术是准动态测量技术与AROTF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。RTK–RealTimeKinametic（实时动态差分）►系统构成参考站（基准站）流动站数据链►应用数据链1．概述►差分GPS定位系统是由一个基准站和多个用户台组成。基准站与用户台之间的联系，即由基准站计算出的改正数发送到用户台的手段是靠数据链完成的。数据链由调制解调器和电台组成。►调制解调器是将改正数进行编码和调制，然后输入到电台上发射出去。用户台将其接收下来，并将数据解调后，送入GPS接收机进行改正。►电台是将调制后的数据变成强大的电磁波辐射出去，能在作用范围内提供足够的信号强度，使用户台能可靠地接收。发射频率和辐射功率的选择是数据链的重要问题，它视作用距离而定。►根据已建立的各种无线电导航系统的发射频率和作用距离，将通信设备分为直接波传输和地波传输两大类。2．RS-232接口►GPS接收机和调制解调器间通信一般采用它。3．调制解调器►差分GPS数据链中常用的三种调制方式：FSK，MSK和GMSK4．纠错编码►