卫星导航增强系统

卫星导航系统GlobalNavigationSatelliteSystem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，而且与距离和路径强相关的特性，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。

差分系统基准站发送的信息方式：位置差分伪距差分相位差分相位平滑的伪距差分概述局域差分GPS系统（LADGPS）广域差分GPS系统（WADGPD）广域增强系统（WAAS）无线电信标差分GPS系统（RBN/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数据链电台基准站多个用户台数据链（调制解调器电台）差分定位系统结构概述近程（小于100km）中程（30～800km）远程（大于800km）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播发站的位置空（星）基陆基概述近程数据通信临时性、短期性的差分定位作业

优点：穿透性强、直线传播性强缺点：易受障碍物、地形和地球曲率的影响

长期性优点：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

概述中程数据通信长波（LF）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中波（MF）特点：频道拥挤，易受干扰，而且传播速率仍偏低短波（VHF）特点：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

远程数据通信特点：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（RTCM）于1983年11月为全球推广应用差分GPS业务设立了SC-104专门委员会。1985年11月发表了Ver1.0版本差分定位精度为8～10m1990年1月公布了Ver2.0版本提高了差分改正数的抗差错性能，增大了可用信息量。差分定位精度提高到5m，通常可达2～3m甚可达到1m1994年1月又公布了Ver2.1版本适应载波相位差分GPS的需要；保留了基本电文，增加了支撑实时动态定位RTK的新电文；

2001年8月发布2.3版（目前最新版）RTCMSC-104标准格式RTCM-SC104数据格式考虑到GPS的用户已经熟悉了GPS的基本导航电文，在RTCM电文格式中保留了GPS电文的字长、字格式、奇偶校验规则和其它特性差分GPS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：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。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。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。采用30bit字码和50Hz传输率与GPS相匹配,字边界时间为0.6s的整数倍，便于定时控制。以前采用的32bit字码只能在16s内有一次相遇。RTCM-SC104数据格式电文类型状

态内

容12345678910111213141516171819202122～585960～63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伪距改正数未定义专利信息其他用途信息RTCMSC-104的电文类型:21类共63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，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。

DifferentialCorrection2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）坐标改正信息差分定位如果考虑到用户站的位置改正瞬间变化，则式中为校正的有效时刻。位置差分特点优点:计算方法简单，适用范围较广；缺点: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；适用范围：用户与基准站间距离在100km以内。差分定位卫星到基准站的真实距离

伪距的改正数

伪距改正数的变化率

基准站的接收机测量的伪距

经过差分修正的伪距

用户至卫星的伪距

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：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；允许用户接收任意4颗星的信号进行定位。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，且无法用差分方法消除。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；：钟差；：观测的相位差小数部分；

：整周相位模糊度；：波长；

：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。相位平滑的伪距差分伪距观测方程载波相位的观测方程差分定位取t1、t2两时刻的相位观测量之差，以消除整周相位模糊度

（1）

若基准站与用户站相距不太远，可认为=0。在t2时刻的伪距观测量为（2）差分定位将(2)代入到(1)得

（3）将(3)代入t2时刻的伪距观测量得t1时刻的伪距观测量（4）以上述方法可由不同时段的相位差求出t1时刻的伪距观测量。差分定位从t1到tk的相位差值k个历元的观测值

t1时刻k个伪距观测量

对所有推导值取平均，得到t1时刻的伪距平滑值可推得其他各时刻的平均值

（k=2,3，…，k）

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，我们可以采用另一种平滑形式，即类似于滤波的形式设起始条件为：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n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差分定位v=4km/s20200km1000km50km10kmdistance??km载波相位差分差分定位载波相位差分技术(RTK技术:realtimekinematic），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三维坐标，并达到厘米级的高精度。实现方法修正法：基准站向用户站发送载波相位修正量（准RTK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

（真正的RTK技术）。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

基准站与第i颗卫星的伪距（接收机观测值）星历误差对卫星i：伪距改正数＝真实距离－伪距差分定位当基准站与用户站相距较近时（小于100km）用户台观测伪距伪距修正差分定位如果基准站与用户站间同时观测相同的4颗卫星(i=1,2,3,4)差分定位求差法接收机间的一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差分定位

基准站A与用户台B到第j颗卫星的伪距分别为一次差不能消除接收机间一次差（单差）差分定位A、B两站与卫星j和k的一次差：接收机与卫星间二次差（双差）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(Φ)Int(Φ)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;，:从起始历元开始至观测历元间的相位整周数;

:测量相位差的小数部分；

:载波波长。用户载波相位观测量：基准站载波相位观测量：差分定位

可通过删除法、模糊度函数法、FARA法以及消去法求解初始相位模糊度。FARA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，充分利用初始平差的解向量(点坐标及整周模糊度的实数解)，及其精度信息(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差(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、用户数学模型加权平均算法或最小方差算法局域差分GPS系统结构：基准站（一个）、数据通讯链和用户数学模型：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系统结构：基准站（多个）、数据通讯链、用户数学模型：加权平均、偏导数法、最小方差法特点：优点：差分精度高、可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局域差分局域差分GPS系统多基准站局域差分广域差分GPS系统结构基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型与普通差分不相同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、建设费用高广域差分GPS系统工作流程

用户用接收到的误差改正观测量，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WAAS通过以下三种服务来增强GPS：改善可用性和可靠性改善精度改善安全性关于WAAS信号，其功能和设计思想是：不干扰现有GPS接收机的信号接收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方便信号的接收伪卫星技术伪卫星为了保证GPS在一些