卫星导航增强系统

1、卫 星 导 航 系 统Global Navigation Satellite System哈尔滨工程大学卫星导航系统课程组自动化学院第七章 卫星导航增强系统本章内容安排 概述 基本差分算法位置差分伪距差分载波相位差分 局域差分系统 广域差分系统 广域增强系统 信标差分系统概述 卫星导航的差分定位技术是显著改善卫星导航系统精度卫星导航的差分定位技术是显著改善卫星导航系统精度和完善性的一种技术，工作原理：和完善性的一种技术，工作原理： 利用卫星导航系统的误差随时间变化缓慢，而且与距离利用卫星导航系统的误差随时间变化缓慢，而且与距离和路径强相关的特性，通过求差的方法，消除或大大减少公和路径强相关的特

2、性，通过求差的方法，消除或大大减少公共误差，从而提高定位精度。共误差，从而提高定位精度。 l差分系统基准站发送的信息方式：差分系统基准站发送的信息方式： 位置差分位置差分 伪距差分伪距差分 相位差分相位差分 相位平滑的伪距差分相位平滑的伪距差分概述 局域差分局域差分GPSGPS系统（系统（LADGPSLADGPS） 广域差分广域差分GPSGPS系统（系统（WADGPDWADGPD） 广域增强系统（广域增强系统（WAASWAAS） 无线电信标差分无线电信标差分GPSGPS系统（系统（RBN/DGPSRBN/DGPS）差分形式概述差分定位系统基准站用户台3改正信息用户台2用户台1数据链电台基准站基

3、准站多个用户台多个用户台数据链数据链（调制解调器电台）（调制解调器电台）差分定位系统结构概述近程（小于近程（小于100km100km）中程（中程（3030800km800km）远程（大于远程（大于800km800km） 差分定位系统的数据通信类型按传输差分信息的覆盖范围按传输差分信息的覆盖范围按播发站的位置按播发站的位置空（星）基空（星）基陆基陆基概述近程数据通信近程数据通信 临时性、短期性的差分定位作业临时性、短期性的差分定位作业 优点：穿透性强、直线传播性强优点：穿透性强、直线传播性强 缺点：易受障碍物、地形和地球曲率的影响缺点：易受障碍物、地形和地球曲率的影响 长期性长期性 优点：优点：

4、 利用调频信号基带中的副载波进行数据传输利用调频信号基带中的副载波进行数据传输 不影响调频台主频道的正常播音不影响调频台主频道的正常播音 充分利用了调频信号基带中的副载波资源充分利用了调频信号基带中的副载波资源 概述中程数据通信中程数据通信 长波（长波（LFLF） 特点：靠地面波传输、受大气影响小而受地形影响较大特点：靠地面波传输、受大气影响小而受地形影响较大 不太适宜于差分定位不太适宜于差分定位 中波（中波（MFMF） 特点：频道拥挤，易受干扰，而且传播速率仍偏低特点：频道拥挤，易受干扰，而且传播速率仍偏低 短波（短波（VHFVHF） 特点：易受天气和电离层干扰和影响、常出现盲区、通信特点：

5、易受天气和电离层干扰和影响、常出现盲区、通信 设备造价低廉且集成度高设备造价低廉且集成度高 远程数据通信远程数据通信 特点：采用星基的差分数据播发站特点：采用星基的差分数据播发站概述 国际海运事业无线电技术委员会（国际海运事业无线电技术委员会（RTCMRTCM）于）于19831983年年1111月为月为全球推广应用差分全球推广应用差分GPSGPS业务设立了业务设立了SC-104SC-104专门委员会。专门委员会。 19851985年年1111月发表了月发表了VerVer 1.0 1.0版本版本 差分定位精度为差分定位精度为8 810m 10m 19901990年年1 1月公布了月公布了VerV

6、er 2.0 2.0版本版本 提高了差分改正数的抗差错性能，增大了可用信息量。差分定提高了差分改正数的抗差错性能，增大了可用信息量。差分定位精度提高到位精度提高到5m5m，通常可达，通常可达2 23m3m甚可达到甚可达到1m1m 19941994年年1 1月又公布了月又公布了VerVer 2.1 2.1版本版本 适应载波相位差分适应载波相位差分GPSGPS的需要；的需要； 保留了基本电文，增加了支撑实时动态定位保留了基本电文，增加了支撑实时动态定位RTKRTK的新电文；的新电文； 20012001年年8 8月发布月发布2.32.3版（目前最新版）版（目前最新版）RTCM SC-104 标准格式

7、 RTCM-SC104数据格式 考虑到考虑到GPSGPS的用户已经熟悉了的用户已经熟悉了GPSGPS的基本导航电文，在的基本导航电文，在RTCMRTCM电电文格式中保留了文格式中保留了GPSGPS电文的字长、字格式、奇偶校验规则和其它电文的字长、字格式、奇偶校验规则和其它特性差分特性差分GPSGPS电文格式采用可变长度的格式。在具体使用中考虑电文格式采用可变长度的格式。在具体使用中考虑以下因素：以下因素：l增强奇偶校验规则，以检测出数据中的误差，避免将错误改正数发送给用增强奇偶校验规则，以检测出数据中的误差，避免将错误改正数发送给用户，提高用户使用的可靠性。户，提高用户使用的可靠性。l一般用户

8、不需要数据链的奇偶校验，不需要在数据传输过程中的控制。这一般用户不需要数据链的奇偶校验，不需要在数据传输过程中的控制。这样，在多数应用中不要求数据链的奇偶校验和编码方案。样，在多数应用中不要求数据链的奇偶校验和编码方案。l奇偶校验规则搭接边界和求解模糊度符号，在双相调制数据传输中统一协奇偶校验规则搭接边界和求解模糊度符号，在双相调制数据传输中统一协调解决。调解决。l采用采用30 bit30 bit字码和字码和50Hz50Hz传输率与传输率与GPSGPS相匹配相匹配, ,字边界时间为字边界时间为0.6s0.6s的整数倍的整数倍，便于定时控制。以前采用的，便于定时控制。以前采用的32bit32bi

9、t字码只能在字码只能在16s16s内有一次相遇。内有一次相遇。RTCM-SC104数据格式电文类型状 态内 容1234567891011121314151617181920212258596063固定固定固定弃置试用固定固定试用固定备用备用备用试用备用备用固定试用试用试用试用试用试用备用差分GPS改正数差分GPS改正数基准站参数测地工作卫星星座健康状态零帧信标历书伪卫星历书部分卫星差分改正数P码差分改正数（全部卫星）C/A码，L1，L2改正数伪卫星站参数地面发射机参数测地辅助电文电离层、对流层电文专用电文星历历书未改正的载波相位观测量未改正的伪距观测量RTK载波相位改正数RTK伪距改正数未定义

10、专利信息其他用途信息RTCM SC-104RTCM SC-104的电文的电文类型类型: :2121类共类共6363种电文格式种电文格式 差分定位差分GPS定位原理 差分定位是在一个地理位置准确已知点建立差分基准台，差分定位是在一个地理位置准确已知点建立差分基准台，实时计算出误差信息，并将此信息传送给用户，用户即可得到实时计算出误差信息，并将此信息传送给用户，用户即可得到高精度定位。高精度定位。 位置差分差分定位10m10m基准站（位置已知）接收机(位置未知)接收机估计位置接收机估计位置真实位置（已知）000XXXYYYZZZ()X Y Z， ，000(XYZ， ， ）坐标改正信息()uuuX

11、Y Z，uuuuuuXXXYYYZZZ差分定位 如果考虑到用户站的位置改正瞬间变化，则如果考虑到用户站的位置改正瞬间变化，则000d()()dd()()dd()()duuuuuuuuuXXXXXtttYYYYYtttZZZZZttt式中式中 为校正的有效时刻。为校正的有效时刻。位置差分特点位置差分特点优点优点: : 计算方法简单，适用范围较广；计算方法简单，适用范围较广；缺点缺点: : 实现位置差分原理的先决条件是必须保证基准实现位置差分原理的先决条件是必须保证基准 站和用户站观测同一组卫星的情况；站和用户站观测同一组卫星的情况；适用范围：用户与基准站间距离在适用范围：用户与基准站间距离在10

12、0km100km以内以内。 0t差分定位卫星到基准站的真实距离 )(bbbZYX，)(iiiZYX，222)()()(bibibiiZZYYXXR伪距的改正数 iiiR伪距改正数的变化率 ti基准站的接收机测量的伪距 i经过差分修正的伪距 )()()(0ttuuiiii用户至卫星的伪距 )(ui基准站接收机计算出基站至可见卫星的距离，并将此距离与含有误差的测量值加以比较伪距差分差分定位优点优点 ：可以达到较高的精度；可以达到较高的精度；可以采用外推的方法继续进行高精度定位；可以采用外推的方法继续进行高精度定位；允许用户接收任意允许用户接收任意4 4颗星的信号进行定位。颗星的信号进行定位。 缺点

13、缺点 ： 用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。随着用户到用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。随着用户到基准站距离的增加又出现了新的系统误差基准站距离的增加又出现了新的系统误差 ，且无法用差分方法，且无法用差分方法消除。消除。伪距差分特点伪距差分特点差分定位 ：经差分改正后的用户站到卫星的伪距；：经差分改正后的用户站到卫星的伪距； ：钟差；：钟差； ：观测的相位差小数部分；：观测的相位差小数部分； ：整周相位模糊度；：整周相位模糊度； ：波长；：波长； ：用户站至卫星的真实距离，包括用户站的三维坐标；：用户站至卫星的真实距离，包括用户站的三维坐标； ：接收机的测量噪声。：接收机的测量

14、噪声。 1iiuRcdv2()iiiuNRcdv idiiNuR12,v v相位平滑的伪距差分伪距观测方程伪距观测方程载波相位的观测方程载波相位的观测方程差分定位 取取t t1 1、t t2 2两时刻的相位观测量之差，以消除整周相位模糊度两时刻的相位观测量之差，以消除整周相位模糊度 （1 1） 若基准站与用户站相距不太远，可认为若基准站与用户站相距不太远，可认为 = 0 = 0 。 在在t t2 2时刻的伪距观测量为时刻的伪距观测量为 （2 2）1221()( )( )iiitttt ，21212( )( )( )( )iiuuR tR tcdtcdtv2v2221( )( )( )iiutR

15、 tcdtv差分定位将将(2)(2)代入到代入到(1)(1)得得 （3 3）将将(3)(3)代入代入t t2 2时刻的伪距观测量时刻的伪距观测量 得得t t1 1 时刻的伪距观测量时刻的伪距观测量 （4 4）以上述方法可由不同时段的相位差求出以上述方法可由不同时段的相位差求出t t1 1时刻的伪距观测量。时刻的伪距观测量。211121( )( )( )()iiiuutR tcdtttv，1111( )( )( )iiutR tcd tv1212( )( )()iiitttt，差分定位从从t t1 1到到t tk k的相位差值的相位差值 12( )( )( )iiikttt，k k个历元的观测值

16、个历元的观测值 t t1 1时刻时刻k k个伪距观测量个伪距观测量 对所有推导值取平均，得到对所有推导值取平均，得到t t1 1时刻的伪距平滑值时刻的伪距平滑值 可推得其他各时刻的平均值可推得其他各时刻的平均值 （k k = 2, 3 = 2, 3，k k） 12131()()()iiiktttttt，11121211( )( )( )( )()( )( )()iiiiiiiikktttttttttt，111( )( )iittk1111( )( )()()iiikkkkkktttttkk，差分定位 以上的推导只适用于数据的后处理，至于实时动态应用，我们可以采用以上的推导只适用于数据的后处理，

17、至于实时动态应用，我们可以采用另一种平滑形式，即类似于滤波的形式设起始条件为另一种平滑形式，即类似于滤波的形式设起始条件为 ： 11( )( )iitt 因为对各颗卫星的伪距观测是等精度的，则求解点位时观测方程的权阵因为对各颗卫星的伪距观测是等精度的，则求解点位时观测方程的权阵仅与平滑次数有关，即权阵为（对于仅与平滑次数有关，即权阵为（对于n n个卫星）个卫星） 可以根据相位平滑伪距的观测量解出用户站的坐标可以根据相位平滑伪距的观测量解出用户站的坐标1111( )( )()()iiikkkkkktttttkk，1200nkkk差分定位v = 4 km/s20200 km1000 km50km1

18、0 kmdistance ? km载波相位差分差分定位 载波相位差分技术载波相位差分技术(RTK(RTK技术技术: : real time kinematic），建立在），建立在实时处理两个测站的载波相位测量基础上。能实时提供观测点的实时处理两个测站的载波相位测量基础上。能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。三维坐标，并达到厘米级的高精度。实现方法实现方法修正法：基准站向用户站发送载波相位修正量修正法：基准站向用户站发送载波相位修正量（准（准RTKRTK技术）技术）。差分法：基准站将采集的载波相位发送给用户台进行求差解算差分法：基准站将采集的载波相位发送给用户台进行求差解算 （真正

19、的（真正的RTKRTK技术）技术） 。基本原理基本原理 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基站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收导航卫星的测量及基站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收导航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。实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。载波相位差分差分定位 修正法修正法 基准站与第基准站与第i i颗卫星的伪距（接收机观测值）颗卫星的伪距（接收机观测值） ()iiiiiibb

20、bsbbionbtropbbRc ddddddMv星历误差iiibbbR()iiiibsbbionbtropbbc ddddddMv 对卫星i i ：伪距改正数真实距离伪距差分定位()()()()()iiiiiiibuuububuionbioniiutropbtropubuRc dddddddddMdMv,iiiiiiubuionbionutropbtropdddddd当基准站与用户站相距较近时（小于当基准站与用户站相距较近时（小于100km100km）()iiiiiiuuusuuionutropuuRc ddddddMv用户台观测伪距用户台观测伪距伪伪距距修修正正iiibbbR差分定位222

21、()()()()()()iiibuuubububiiiuuuRc dddMdMvvXxYyZzd ,?uuuxyzd11121212222222223332323244424242()()()()()()()()()()()()buuuubuuuubuuuubuuuuXxYyZzdXxYyZzdXxYyZzdXxYyZzd如果基准站与用户站间同时观测相同的4颗卫星(i i=1,2,3,4)差分定位 求差法求差法 接收机间的一次差接收机间的一次差 接收机和卫星间的二次差接收机和卫星间的二次差 接收机、卫星和观测历元时刻之间的三次差接收机、卫星和观测历元时刻之间的三次差差分定位 基准站基准站 A

22、A与用户台与用户台B B到第到第j j 颗卫星的伪距分别为颗卫星的伪距分别为()jjjjjjjjaaasaaionatropaaRc ddddddMv()jjjjjjjjbbbsbbionbtropbbRc ddddddMv()()()()()()()jjjababjjjjjjabababaionbionjjjjjjatropbtropababRRc dddddddddMdMvv 一次差一次差不能消除接收机间一次差（单差）接收机间一次差（单差）差分定位A、B两站与卫星j j和k k的一次差：()()()()kkkkkkkabababababRRc dddMdMvv() () ()jkjkaba

23、babjjkkjjkkjjkkababababababRRRRdMdMdMdMvvvv接收机与卫星间二次差（双差）()()()()jjjjjjjabababababRRc dddMdMvv求差消除钟差差分定位三次差不会明显提高差分定位结果三次差不会明显提高差分定位结果l接收机、卫星和观测历元时刻之间的三次差差分定位整周模糊度整周模糊度N0=？Fr0N0=？Fr1Int()Int()相位整周模糊度差分定位 , :, :起始相位模糊度，即相位整周数的初始值起始相位模糊度，即相位整周数的初始值; ; ， : :从起始历元开始至观测历元间的相位整周数从起始历元开始至观测历元间的相位整周数; ; : :

24、测量相位差的小数部分；测量相位差的小数部分； : :载波波长。载波波长。0()iiiiuuuuNN0iuN0ibNiuNibNiu用户载波相位观测量：用户载波相位观测量：基准站载波相位观测量：基准站载波相位观测量：0()iiiibbbbNNiiibbbR222()()()iiiiibuuuuXxYyZzd 0()iiiibbbbNN0()iiiiuuuuNN22200()()()()()()iiiiiiiiiibubububuuuRNNNNXxYyZzd 差分定位 可通过可通过删除法、模糊度函数法、删除法、模糊度函数法、FARAFARA法以及消去法法以及消去法求解初始求解初始相相位模糊度。位模

25、糊度。FARAFARA基本思想（快速模糊度解算法）基本思想（快速模糊度解算法） 以数理统计理论的参数估计和假设检验为基础，充分利用初以数理统计理论的参数估计和假设检验为基础，充分利用初始平差的解向量始平差的解向量( (点坐标及整周模糊度的实数解点坐标及整周模糊度的实数解) )，及其精度信，及其精度信息息( (方差与协方差阵和单位权中的误差方差与协方差阵和单位权中的误差) )，确定在某一置信区间整，确定在某一置信区间整周模糊度可能的整数解的组合，然后依次将整周模糊度的每一周模糊度可能的整数解的组合，然后依次将整周模糊度的每一组合作为已知值，重复地进行平差计算，其中能使估的验后方组合作为已知值，重

26、复地进行平差计算，其中能使估的验后方差差( (或方差和或方差和) )为最小的一组整周模糊度，即为所搜索的整周模糊为最小的一组整周模糊度，即为所搜索的整周模糊度的最佳估值。度的最佳估值。局域差分GPS系统结构 基准站（多个）、数据通讯链、监控站、用户基准站（多个）、数据通讯链、监控站、用户数学模型 加权平均算法或最小方差算法加权平均算法或最小方差算法局域差分GPS系统 结结 构：构：基准站（一个）、数据通讯链和用户基准站（一个）、数据通讯链和用户 数学模型：数学模型：利用差分改正数的计算方法，提供距离改正和利用差分改正数的计算方法，提供距离改正和 距离改正的变率距离改正的变率 特特 点：点： 优

27、点：结构、模型简单优点：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，可靠性低降，可靠性低单基准站局域差分局域差分GPS系统单基准站局域差分局域差分GPS系统l结结 构：构：基准站（多个）、数据通讯链、用户基准站（多个）、数据通讯链、用户l数学模型：数学模型：加权平均、偏导数法、最小方差法加权平均、偏导数法、最小方差法l特特 点：点：优点：优点： 差分精度高、可性高差分范围增大差分精度高、可性高差分范围增大缺点：缺点： 差分范围仍然有限、模型不完善差分范围仍然有限、模型不完善多基准站局域差分局域差分GPS系统多基准站局域差分广

28、域差分GPS系统结构结构 基准站（多个）、数据通讯链和用户基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型数学模型 与普通差分不相同与普通差分不相同 普通差分考虑的是误差的综合影响普通差分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，对观测值进行改正用户根据自身的位置，对观测值进行改正特点特点优点：优点： 差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大缺点：缺点： 系统结构复杂、建设费用高系统结构复杂、建设费用高广域差分GPS系统工作流程工作流程 用户用接收到的误差改正观测

29、量，得到GPS精确定位跟踪观测GPS卫星的伪距相位测得的伪距、相位和电离层延时的结果传输到中心站计算三项误差的改正数包括卫星星历误差、卫星钟差、电离层延时将这些误差改正用数据通信链传输到用户站广域增强系统 广域增强系统WAAS广域增强系统WAASWAAS通过以下三种服务来增强通过以下三种服务来增强GPSGPS： 改善可用性和可靠性改善可用性和可靠性 改善精度改善精度 改善安全性改善安全性关于关于WAASWAAS信号，其功能和设计思想是信号，其功能和设计思想是 ： 不干扰现有不干扰现有GPSGPS接收机的信号接收接收机的信号接收 提供附加的距离测量提供附加的距离测量 提供最大可能的完善性能力和差分修正提供最大可能的完善性能力和差分修正 方便信号的接收方便信号的接收 伪卫星技术伪卫星 为了保证为了保证GPSGPS在一些特定地区在一些特定地区 实现特殊用途定位的精确性和可实现特殊用途定位的精确性和可 靠性，靠性，SC-104SC-104分会提出了伪卫分会提出了伪卫 星的概念，即在该地区建立类似星的概念，即在该地区建立类似 于于GPSGPS卫星的固定基准站，行使卫星的固定基准站，行使 GPS GP