5.GPS差分定位基本原理

1、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 定位结菓进行改正，以提高定/立精度。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基准站 pRi = PjRi + c&i + dion + dtrop + £p 修正量g差=為一 PhA/強差=c&i + dion + dtrop + £P 移动目标凤正=况7phi = PMi + C&i + dion + dtrop + £

2、p概述»差分GPS产生的诱因: 绝对定位精度不能满 足要求 n川片，4 S盛 e K h HI 一SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化概述差分GPS （DGPS 一 Differential GPS）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aRTCM辽04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A对定位精度的影响定位精度=等效距禺误差xPDOPPDOP通常大于1。PDOP： Position Dilution

3、of Precision，位置精度衰减因子差分GPS的基本原理A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A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岀站 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 坐标与观痂座标之差即为位置断衣正薮。差分GPS对测量定位精度的改进误差类型G

4、PS(单位:m)DGPS(单位：m)间距(km)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

5、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 - Local Are霸单基准站差分1多基准站差分|L 广域差分（WADGPS 一 Wide Area BSBa05*2忡UT9C联切単B距离差分位置差分位置差分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

6、链将 坐标改正数发送给用户。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，提咼精度。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A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

7、A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多基准站局域差分A结构基准站（一个）、数据通讯链和用户A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GPS SATELLITEGP5DATA LINK5PSUOORG CORRfCTlOHSG二-WTAUHK 工产云rMOBI* STATIONKkSISsiW K4VBfiH0f9EI»W k4w0&BSIA特点征点：结构、模型简单_CORRECTIONS PROCESSORNATION缺点：差分范围小，精度随距基潅礦富的增加蒂下 降，可靠性低户）A结构基准站

8、（多个）、数据通讯链和用户A数学模型（差分改正数的计算習窗闕鄭它7匚瞅m怙rOStRbtR加权平均偏导数法最小方差法»特点多基准站差分系统结构优点：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，模型不完善广域差分基准站（多个）、数据通讯链和用户A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A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，对观测值进行改正饕特点差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大 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（Xo，y°，Zo），可求坐标改正数:AX -

9、 X。ar y* 一 yoAZ = Z" Z°用数据链发送出去，用户接收机接收后改正:乂 = X, + AX YU=Y； + 曲 Z, = Z； + A?顾及用户位置改正的瞬时变化，可得:益=龙；+ ax +d（2LY x（t 一 gy, = y； + 4? + 虫彎红）a 一（.）Ze = Z； + AZ +-O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

10、对定位的一种特殊应用。A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 夕卜，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r大大消减卫星星历误差、电离层和对流层延迟 误差应的影响，提

11、咼定位精度。»实时定位精度可达1015m,事后处理的 定位精度可达35m»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»个基准站的控制距离约在200300km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：R - J(X，一 X，+ 理 一 丫$ + 一乙，根据测量值可得伪距改正数及变化率:A0 H 黑一 01用户的改正伪距即为：05® = 0O + g ®-珀）利用改正的伪距按观测方程计算用户坐标优点

12、：A伪距改正是在WGS-8 4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。A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:A与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消 翱關雾豔翳豔嚇出现了系统误差这种误基准站和用户站间距离对伪距差分的精度有决定性 影响。A星历提供的卫星钟与GP S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GP S差分误差成正比关系。扩展伪距差分（广

13、域差分）在一个广阔的地区内提供高精度的差分G PS服务，将若干基准站和主站组成差分 G P S 网。A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G P S改 正电文，再把扩展G P S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G P S的基本思想：r-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G P S 定位引入电离层模型、对流层模型和卫星星历误差估算（包 扌苦卫改正扩展伪距差分（广域差分）误差集中表现为三方面：丿丿星历误差：扩展差分依赖区域精密定轨确定精密星历 取代广播星历oin冒r-大气时延误差（电

14、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A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

15、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。r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

16、三维坐标，并达到厘米 级的高精度。A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 (Real Time Kinematic) GPS技术» 实时差分动态(Rea

17、l Time KinematicRTK)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 - Real Time Kinametic（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，即由基准站计算岀的改正数发送 到用户台的手

18、段是靠数据链完成的。数据链由调制解调器和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岀去，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，它视作用距根据$建立的各种无线电导航系统的发射频率和作用距离， 将通信设窑分为直揍波传输和：1£波传输两耒棗。第“类为直接波传输，其中包括甚高荻WHF)、超高频(UHF)。基 准诒的犬线必须建立在高塔之上，以视距直接通视的方式W25W的功 率进行传输厂般作用距离可达到2。lOOkim这种设备的天线简单, 容易架设屉用干流劫作业,适用于海港、河道筹测量应用"!2ViIS第二类为地波恃输。其中包括低濒(LF)和中频(MF),这种倩号能 沿地球表面传播,能境过建筑物和山丘，使作用距离达到1000- 2000km.为了提高辐肘效率，天线设计为高施杆或铁骼适合凰定基准 站应用。一般一且建立就长期应用、适用干远距离导舫和定仏2. RS-232接口 GPS接收机和调制解调器间通信一般采用它。