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第一页，共71页。差分定位基本原理基准站移动目标修正量第二页，共71页。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第三页，共71页。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格式第四页，共71页。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PDOP：PositionDilutionofPrecision,位置精度衰减因子第五页，共71页。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。第六页，共71页。差分GPS对测量定位精度的改进第七页，共71页。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第八页，共71页。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。第九页，共71页。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：第十页，共71页。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。第十一页，共71页。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。第十二页，共71页。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伪距差分原理第十三页，共71页。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。第十四页，共71页。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第十五页，共71页。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。第十六页，共71页。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。第十七页，共71页。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第十八页，共71页。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，可靠性低基准站数据通讯链流动站（用户）第十九页，共71页。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第二十页，共71页。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、建设费用高第二十一页，共71页。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。第二十二页，共71页。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。第二十三页，共71页。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。第二十四页，共71页。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。第二十五页，共71页。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。第二十六页，共71页。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。第二十七页，共71页。载波相位实时动态差分技术——RTK（RealTimeKinematic）GPS技术实时动态（RealTimeKinematic——RTK）差分测量系统，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。第二十八页，共71页。RTK–RealTimeKinametic（实时动态差分）系统构成参考站（基准站）流动站数据链应用第二十九页，共71页。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。第三十页，共71页。第三十一页，共71页。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．纠错编码是提高数字传输可靠性的一项技术，是正确传输差分GPS改正信号的重要手段。避免错误出现必须差错控制，其关键是纠错编码。思想：一是译码纠错；二是出错反馈重发纠错。第三十二页，共71页。1)前向纠错FEC不需要反馈，适用于单向信道；译码设备复杂。2)检错重传ARQ冗余码少，译码简单；需双向信道。3)混合差错控制HEC避免FEC译码复杂又不适应信道变化缺点，又克服ARQ信息连贯差通信效率低的缺点。4)信息反馈IRQ不用纠错、检错编译码；有可能造成不必要的重复。第三十三页，共71页。卫星导航差分系统由基准站、计算中心、通信链路和用户设备组成基准站计算中心用户设备导航卫星通信链路第三十四页，共71页。差分技术用于飞机进近和着陆机场运行的最低标准分为着陆最低标准和起飞最低标准，而进场着陆是飞行中最为重要的阶段在飞机进近阶段尤其下滑着陆时，对定位精度的要求大幅度提高目前的卫星导航系统采用严格意义上的差分定位技术或载波相位测量技术。第三十五页，共71页。下滑高度保持进场下滑阶段拉平阶段拉平下滑捕捉进入固定下降速度方式2－3度飞机的降落过程示意图第三十六页，共71页。差分GPS着陆系统GPS接收机差分数据接收机GPS接收机数据处理计算机数据处理计算机差分数据发射机航向下滑距离送往仪表机载设备地面设备第三十七页，共71页。1．周跳产生接收机能记录下初始时刻到任一观测时刻的整周数记不足一周的小数部分。周跳就是由于卫星信号的失锁而使载波相位差观测值中的整周计数所发生的突变。周跳产生情况：信号被障碍物暂时遮挡，接收机瞬时故障。周跳的探测与修复第三十八页，共71页。整周跳变（周跳–CycleSlips）在某一特定时刻的载波相位观测值为如果在观测过程接收机保持对卫星信号的连续跟踪，则整周模糊度将保持不变，整周计数也将保持连续，但当由于某种原因使接收机无法保持对卫星信号的连续跟踪时，在卫星信号重新被锁定后，将发生变化，而也不会与前面的值保持连续，这一现象称为整周跳变。周跳T第三十九页，共71页。产生周跳的原因信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪仪器故障，导致差频信号无法产生卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号卫星瞬时故障，无法产生信号第四十页，共71页。周跳的特点只影响整周计数－周跳为波长的整数倍将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值周跳T周跳将使周跳发生后的所有观测值包含相同的整周计数错误第四十一页，共71页。依信号失锁时间长短，周跳有两种类型。一种为信号失锁可能长达数分钟或更长时间，因为该颗卫星在失锁期间，就不再有相位差观测值，所以周跳容易识别；另一种信号失锁可能发生在两相邻历元之间，则在失锁前后，每个历元都有包括整数和小数部分的相位差观测值，然而整周已发生突变，不相衔接，所出现的周跳可能小至1周，也可能大至数百周。第四十二页，共71页。解决周跳问题的方法探测与修复设法找出周跳发生的时间和大小参数法将周跳标记出来，引入周跳参数，进行解算第四十三页，共71页。周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题，整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种方法：1、屏幕扫描法（也就是手工编辑）2、卫星间求差法3、多项式拟合法4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变解决周跳问题的方法第四十四页，共71页。周跳的探测、修复方法①屏幕扫描法方法：人工在屏幕上观察观测值曲线的变化是否连续。特点费时、只能发现大周跳。由于原始的载波观测值变化很快，通常观察的是某种观测值的组合，如第四十五页，共71页。周跳的探测、修复方法②高次差法第四十六页，共71页。周跳的探测、修复方法②（续）高次差法的原理由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载波相位测量的观测值N0+Int(ф)+Fr(ф)也随时间在不断变化。但这种变化应是有规律的，平滑的。周跳将破坏这种规律性。对于GPS卫星而言，当求至四次差时，其值已趋向于零。残留的四次差主要是由接收机的钟误差等因素引起的。第四十七页，共71页。周跳的探测、修复方法②（续）高次差法的问题接收机钟差对此方法有效性的影响克服接收机钟差影响的方法－卫星间求差第四十八页，共71页。周跳的探测、修复方法②（续）高次差法的问题即使发现相位观测值中存在数周的不规则变化，也很难判断是否存在周跳。所以双差观测值被广泛采用。第四十九页，共71页。周跳的探测、修复方法③多项式拟合法：为了便于用计算机计算，常采用多项式拟合的方法。即根据n个相位测量观测值拟合一个n阶多项式，据此多项式来预估下一个观测值并与实测值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。这种方法实质上和上面介绍的高次差法是相像的，但便于计算。第五十页，共71页。周跳的探测、修复方法③（续）多项式拟合法的应用特点由于四次差或五次差一般巳呈偶然误差特性，无法再用函数来加以拟合，所以用多项式拟合时通常也只需取至4—5阶即可。观测值可以是真正的（非差）相位观测值，也可以是经线性组合后的虚拟观测值：单差观测值和双差观测值。第五十一页，共71页。周跳的探测、修复方法④残差法方法根据平差后的残差，进行周跳的探测与修复特点可以发现小周跳载波相位双差观测值的残差图第五十二页，共71页。整周模糊度的确定在载波相位观测量为根据的精密定位中，初始整周模糊度的确定是定位的一个关键问题。只要整周模糊度确定了，只要同步观测4颗卫星，利用一个历元也可定位。因此在载波相位测量中，如果能预先求解出整周模糊度，就可使观测时段大大缩短。经典方法可能需要几个小时，而快速方法可能只需要几分钟。经平差计算，求得的整周模糊度解为实数解，可实际整周数为整数，需要处理。第五十三页，共71页。整周未知数（整周模糊度－Ambiguity）第五十四页，共71页。确定整周未知数N0是载波相位测量的一项重要工作，常用的方法有下列几种：1、伪距法2、经典方法－将整周未知数作为待定参数求解3、多普勒法（三差法）4、快速确定整周未知数法整周模糊度的确定第五十五页，共71页。1、伪距法伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值（化为以距离为单位）后即可得到λ×N0。但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的观测值取平均值后才能获得正确的整波段数。整周模糊度的确定第五十六页，共71页。2、经典方法把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定。分两种方法：（1）整数解由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一个整数，然后将其固定为整数，并重新进行平差计算。也称为固定解（fixedsolution）（2）实数解当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估计很准确，此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解（floatingsolution）整周模糊度的确定第五十七页，共71页。3、多普勒法（三差法）由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就将该未知数消去，从而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。由于三差法可以消除许多误差，所以使用较广泛。整周模糊度的确定第五十八页，共71页。4、快速确定整周位置数法1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度（即整周未知数）解算法进行快速定位的方法。采用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未知数。整周模糊度的确定第五十九页，共71页。静态相对定位中常用的几种方法一）整数解：基本方法1)求初始解确定基线向量的实数解和整周未知数的实数解2)将整周模糊度固定为整数3)求固定解二）实数解：基线较长，误差相关性减弱，初始解的误差将随之增大，从而使模糊度参数很难固定，整数化的意义不大。第六十页，共71页。静态相对定位中常用的几种方法待定参数法-经典方法1）取整法2）置信区间法XNi为模糊度的实数解mXNi=s0(QNiNi)1/2为该参数的中误差置信区间为［XNi-b·mXNi，XNi+b·mXNi］b＝xt(f,α/2),根据自由度（f=n-u)和置信水平（1-α），从t分布的数值表中查取。如：f=2500,1-α=99.9%,b=3.28整数解在置信区间之内。第六十一页，共71页。快速模糊度解算法（FARA）由瑞士的E.Frei和G.Beutler提出过程：第六十二页，共71页。快速模糊度解算法（FARA）1、搜索候选模糊度：根据P｛|XNi-XNAi|≤bmXNi｝=1-αXNi为模糊度的实数解XNAi为相应的候选整数解mXNi=s0(qNiNi)1/2为该参数的中误差b＝xt(f,α/2),根据自由度（f=n-u)和置信水平（1-α），从t分布的数值表中查取。这样将［XNi-b·mXNi，XNi+b·mXNi］中的所有模糊度值挑选出来，构成很多候选模糊度组合。第六十三页，共71页。快速模糊度解算法（FARA）2、确定最优整数模糊度组合第六十四页，共71页。快速模糊度解算法（FARA）3、对备选模糊度组合进行数理统计检验1)互差检验：对XNAik=XNAi-XNAk进行检核。P｛|XNijk-XNAik|≤b·mxNik｝=1-α整数模糊度实数差：XNik=XNi-XNk(i,k=1,2…r,i≠k)对应的候选整数模糊度差：XNAik=XNAi-XNAkmXNik=s0(qNiNi-2qNiNk+qNkNk)1/22)双频检验XNi、XNk分别表示对同一卫星的L1、L2载波模糊度的实数解。令：XLik=XNi-XNk(λ2/λ1),XLAik=XNAi-XNAk(λ2/λ1)P｛|XLik-XLAik|≤b·mXNLik｝=1-α第六十五页，共71页。4、确认最优解的三项统计检验:将搜索出来的最优整数模糊度组合，代回原法方程式平差计算,得出基线向量解和方差阵。　１）基线向量的整数解和初始解的一致性检验。　２）整数解和初始解的单位权中误差的一致性检验。　３）整数解中最小单位权中误差与次最小单位权中误差间的显著性检验。快速模糊度解算法（FARA）第六十六页，共71页。（AmbiguityResolutionOntheFly—AROTF）或动态初始化法。基本思想根据运动过程中GPS接收机对卫星载波信号的短时间观测值，与参考站的同步观测值一起，利用快速解算整周未知数技术（如搜索法），确定初始整周未知数。在上述初始化所进行的短时间观测过程中，载体的瞬时位置则是根据随后确定的整周未知数，利用所谓逆向求解方法来确定。该方法的特点是当载体在运动过程中所观测的卫星一旦失锁，为重新确定整周未知数，运动载体不再需要停下来重新进行初始化，而是在载体运动过程中实现。整周模糊度动态解算第六十七页，共71页。动态初始化（AROTF）示意图参考站0秒200秒出发整周未知数被确定瞬间正向推算逆向求解第六十八页，共71页。假设在高精度动态相对定位中，流动站与参考站同步观测的卫星数为nj，观测的历元数为nt，则双差的误差方程组为第六十九页，共71页。对某一流动站来说，待求的未知数总数为3nt+(nj-1)，双差观测方程总数为(nj-1)nt，为得到确定解，需满足可见，为动态确定整周未知数，所必须观测的历元数与卫星数有关，同步跟踪的卫星数至少为5，而观测历元数不少于4。实际中为增加解的可靠性和准确性，观测的历元数明显大于上述理论值。1994年Leica公司推出的软件系统要求的观测时段长度约为200秒。第七十页，共71页。1.根据差分改正参数类型的不同，差分GPS可分为哪几类？各有什么优缺点？2.广域差分有什么特点？3.实现载波相位差分GPS的方法主要有哪几种？4.数据链中的通信设备可分为哪几类？5.确定整周模糊度的方法有哪些？思考题第七十一页，共71页。