GPS 05 GPS卫星定位基本原理(三)

特点
优点： 实时消除误差，
实现精密定位 缺点：需要额外的接收设备
DGPS数据链
基准接收机的DGPS数据无线电发送机，与动 态接收机的DGPS数据无线电接收机，构成了 DGPS数据链
差分改正数
基准接收机
动态接收机
DGPS数据链的组成
调制解调器
无线电电台
通过RS-232-C接口与信号接收 机相连
广域差分示意图
电离层改正 卫星星历改正
卫星时钟改正
广域差分可纠正的误差种类
星历误差
依赖区域精密定轨，确定精密星历，取代广播星历
大气延时误差
通过建立精确的区域大气延时模型，能够精确地计算 出作用区内的大气时延量
卫星钟差误差
可计算出卫星钟各时刻的精确钟差
广域差分的工作流程
1) 在已知坐标的若干监测站上，跟踪观测GPS卫 星的伪距、相位等信息； 2) 将测得的伪距、相位和电离层延时的量测结果 传输到中心站； 3) 中心站计算出星历误差改正、卫星钟差改正及 电离层延迟误差改正； 4) 将上述改正数用数据通信链传输到用户站； 5) 用户利用这些改正数修正自己的观测值，计算 出精密结果。
以库尔勒、喀什、和田为监测站，构成小区域网， 选择距这一小网不同距离的四个地点作为用户位置
根据小网计算卫星相对钟差，用伪距法计算用户测 站坐标，并与国家Ａ级点计算坐标比较
RTK 测量技术的发展
两个关键因素


1.整周模糊度的解算，即OEM板的工作性 能问题。 2.数据的传输技术即通讯方式的可靠性问 题。 数据的通讯方式决定了RTK系统的作用 距离和工作稳定性，现有的通讯方式有:
数传电台


数据质量高，但有距 离限制。 电台的能力强弱可以 直接影响到RTK的测量 效果。
GSM电台


借助GSM通讯网络，实时数据传输，相 当于移动电话。 优点： 实时性非常好 数据链传输距离没有限制 由于采用数字通信，抗干扰能力特强。
GPRS 数据链



GPRS是一种新型的分组数据传输业务， 是GSM网络数据业务的延伸和升级 采用IP数据网络协议，可在移动状态下 进行高速数据传输，最高速率可达到 170Kb/s GPRS电台替代了传统模式的电台，作用 距离无限延长，任何地点均可享受对等 的RTK基站数据服务。
X X 0 X Y Y0 Y Z Z Z 0
基准站用数据链将改正数发送出去，用户接收 机在解算时加上改正数： 经过改正 后的坐标：
X P X P X YP YP Y Z Z Z P P
位置差分的特点
缺点：
精度随基准站到用户的距离增加而降低。
载波相位差分
RTK（Real Time Kinematic）技术 实时处理两个观测站载波相位观测 量的差分方法。
载波相位差分方法分类
修正法（准RTK）：
将基准接收机的载波相位修正值发送给用户， 改正用户接收到的载波相位，再解求坐标
差分法（真RTK）：
• GPS, GEO & GLONASS • 地面监控站 • RIMS A –西班牙，法 国 • RIMS B – 意大利 • RIMS C – 加拿大
日本：MSAS (Multi-Functional Satellite
Augmentation System，多功能卫星增强系统 )
•
•
• •
GPS & MTSAT 卫星 2个航空卫星中心（包括监 测站） 8个地面监测站 一个主控站
接收DGPS数据
差分GPS技术可以消除的误差
多台接收机公有的误差（可完全消除）
- 卫星钟误差、星历误差
传播延迟误差（大部分消除）
- 电离层误差、对流层误差
接收机固有的误差
- 内部噪声、多路径效应
差分GPS分类（一）
按数据处理方式： 实时DGPS测量 后处理DGPS测量
如：GPS航空摄影测量技术
日本：准天顶卫星系统
准天顶卫星 系统则由3颗 倾斜轨道卫星 组成 使得从日本 本土来看，在 任何时间总能 够有其中的一 颗在接近天顶 的位置
我国建立广域差分系统的方案
北京、拉萨、乌鲁木齐、上海四个 永久性GPS监测站； 计划增加武汉、哈尔滨两站； 拟在北京及武汉建立中心站。
我国广域差分GPS系统C／A码 单点定位试验
(5-67)
载波相位差分求解的关键
起始相位模糊度的确定
静态方法 动态方法
静态法
需要对GPS卫星的静态观测来实现 伪距法
经典方法
多普勒法
快速确定法
单站差分技术的局限
测量精度随着站间距离的增加而降低
如：采用伪距法DGPS测量，站间距离为500km时， 用户定位误差为12.2m；站间距离为600km时，用 户定位误差为14.4m
克服单站差分技术的局限
局部区域差分（LADGPS）
广域差分（WADGPS）
多基站RTK技术
局部区域差分（LADGPS）
在局部区域布设差 分GPS网，该网由 若干个基准站组成， 通常还包含一个或 数个监控站。 位于区域中的用户 根据多个基准站提 供的改正信息，经 平差后求得自己的 改正数。
局部区域差分（续）
用户接收机通常采用加权平均法或最小 方差法对来自多个基准站的改正信息进 行平差计算，求得自己的坐标改正数或 距离改正数 用户与基准站之间的距离一般在500km 以内才能获得较好的精度
广域差分的基本思想
对GPS观测量的误差源加以区分，并单 独对每一误差源分别加以“模型化”， 然后将计算出的每一误差源的数值，通 过数据链传输给用户，对用户GPS定位 的误差加以改正。
常规RTK存在的问题

2.RTK要求实时（或准实时）解算，多余观 测数大大减少（相对于后处理而言）；
3.数传方式及其协议的影响，其数传方 式和点对点的解算模式很难实现数据和 解的实时质量控制与保障。

4.解的可靠性缺乏理论和实际上的保证。
常规RTK存在的问题
5.常规RTK在参考站为中心15km范围内流动站与 参考站之间误差强相关，但是，随着距离的增 大，系统误差相关性减弱甚至消失，导致难以 正确确定整周未知数，无法取得固定解，定位 精度迅速下降。当间距大于50km时，常规RTK 单历元解算精度仅为分米级。
优点：
- 消去了基准站和用户站共同的误差
- 基准接收机只需向动态用户发送三个DGPS数据， 易于实施数据传输
- 计算简单，适用于各种型号接收机。
缺点：
- 基准站与用户须观测同一组卫星，距离较长 (<100km)时难以满足。 - 随着站间距离的加长，动态用户的位置测量精度逐 渐降低
伪距差分原理
根据基准站精确坐标和测出的卫星地心坐标， 求出卫星至基准站的真正距离，计算伪距改 正数及其变化率； 用户根据伪距改正数及其变化率求出改正后 的伪距，计算用户接收机坐标。
j d j t
伪距
伪距差分的计算步骤（续）
2. 基准站将j 和dj发送给用户，用户在测出的 伪距j上加上改正，求出经改正后的伪距：
Pj (t ) j (t ) j (t ) d j (t t0 )
然后按下式计算坐标：
2 Pj （X j X P） (Y j YP ) 2 ( Z j Z P ) 2 C t V1
GPS卫星定位基本原理（三）
差分GPS定位原理 美国的GPS政策
DGPS的目的提高定位精度
什么是差分GPS（DGPS Differential GPS）
至少需两台接收机，分别在运动载体和基准站上。两 台接收机同步观测一组卫星，基准接收机为动态接收机 提供差分改正数（DGPS数据），动态接收机根据自己 的观测值和差分改正数，精确解算用户的三维坐标。
用户接收 机钟差
接收机 噪声
C/A码伪距的单点定位和DGPS 测量的精度估值比较
伪距差分定位精度高的原因
消除了GPS卫星时钟偏差的精度损失
（用户接收机计算出的伪距同伪距改正数中的钟差 相互抵消）
能够显著减小甚至消除电离层/对流层 效应和星历误差的精度损失
伪距差分的特性
优点：
基准接收机发送的DGPS数据，是所有在视 卫星的伪距改正数，动态接收机只需选用其中 4颗以上的伪距改正值。
伪距差分的计算步骤
1. 根据基准站已知坐标（X0,Y0,Z0）和各观测到的 卫星星历,计算每颗卫星每一时刻到基准站的真实 距离，如下：
R j ( X j X 0 ) 2 (Y j Y0 ) 2 ( Z j Z 0 ) 2
j R j 0j 伪距改正数为：
其变化率为：
将DGPS数据进行编码，进而将其调制在载波 上，送到无线电发射机
在动态站上：
从已调波中解调出DGPS数据，通过RS-232-C 接口送到信号接收机
GPS信号 接收机
RS-232-C 接口
调制 解调器
无线电 发射机
无线电收发机
在基准站上：
无线电发射机以电磁波的形式将DGPS数据发 送给用户
在动态站上：
差分GPS系统的构成
基准站： reference station 具有已知精确的三维坐标，接收卫星信号，计算改 正信息，并利用数据链路播发出去
流动站： mobile station
坐标待定的点 接收卫星信号和改正信息，进行定位 数据链路：data link 建立基准站和流动站之间的通信联系， 将基准站的改正信息向流动站播发
将基准接收机的载波相位发送给用户，进行 求差解算坐标
载波相位差分观测量方程
R0j ( N Pj 0 N 0j ) ( N Pj N j ) Pj 0j ( X j X P ) 2 (Y j YP ) 2 ( Z j Z P ) 2 d