GPS卫星定位基本原理.ppt

第五章GPS卫星定位基本原理,5.1 概述5.2 伪距测量5.3 载波相位测量5.4 整周跳变的修复5.5 GPS绝对定位与相对定位5.6 美国的GPS政策5.7 差分GPS定位原理,5.1 概述,1.测角交会法 1)前方交会 2)恻方交会 3)后方交会 2.测边交会法(距离交会),测角交会法,测边（距）交会法,飞机轮船仍旧使用的一种导航定位方法如只有两个无线电发射台，可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置,无线电导航定位 卫星激光测距定位,无线电发射台或激光测距仪,3.无线电接收机或卫星,1)ABC为三个无线电信号发射台,坐标已知2)P为用户接收机3)采用无线电测距方法测得PA PB PC4)以ABC为球心,以三个长为半径作出三个定位球面,即可交出接收机的平面位置,5.1概述,1)P点为激光测距卫星2)A B C为固定于地面上三个的卫星激光测距仪(坐标已知)3)确定出P点位置4)利用三个卫星位置在地面上有第四个位置,利用所测定的三个空间距离交会出该地面点的位置,4.近代卫星大地测量(卫星激光测距）,5.GPS卫星定位的基本原理(1),观测方程,P点的三维坐标（X，Y，Z）,5.1 概述,1)内容:应用测距交会原理,利用三颗以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点的位置,2).,3)GPS卫星定位方法a.依据测距的原理划分：1）伪距法定位（测码）2）载波相位测量定位（测相）3）差分GPS定位b.根据待定点的运动状态划分：1）静态定位(绝对)2）动态定位(相对)c.获得定位结果的时效(补充）1)事后定位(静态)2)实时定位(RTK),5.GPS卫星定位的基本原理(2),5.1 概述,5.2 伪距测量,1.伪距：由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于各种误差的存在，与卫星到测站的实际几何距离有一定差值。2.两种测量值：-CA码伪距 误差20-30米-P码伪距 误差10米3.伪距定位法:由GPS接收机在某一时刻测出到达四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用测距交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。4.特点 1)适用于导航和低精度测量 2)定位速度快；3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。,5.2.1伪距测量,1.卫星发出一个测距码，该测距码经过时间后到达接收机；2.接收机产生一组结构完全相同的测距码复制码，并通过时延器使其延迟时间；,5.2 伪距测量,5.2.1.1伪距测量的方法,3.将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的自相关系数 R()=1为止，此时，复制码已和测距码对齐，复制码的延迟时间 就等于卫星信号的传播时间；4.将 乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。,5.2.1.1伪距测量的方法(续),5.2.1伪距测量,5.2.1.2为什么利用码相关法测定伪距？,为什么不利用码的标志来推算时延值？1.随机误差的存在：每个测距码在产生时；测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形；复制码在产生时。2.仅根据测距码中的某一标志来进行量测会带来较大误差。利用码相关技术在自相关系数R()=max 的情况下来确定信号的传播时间，实质上是采用了多个码特征来确定，排除了随机误差的影响。,5.2.1伪距测量,5.2.1.3伪距测量的原理(1),1.三种时间系统：1)各颗GPS卫星的时间标准2)各台GPS信号接收机的时间标准3)统一上述时间标准的GPS时间系统,5.2.1伪距测量,5.2.1.3伪距测量的原理（2）,伪噪声码从卫星到接收天线的传播时间：,伪噪声码从卫星到达接收天线的时元,伪噪声码在其卫星的发射时元,5.2.1伪距测量,2.,5.2.1.3伪距测量的原理（3）,dt 卫星时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（可根据导航电文求得）dT 接收机时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（接收机钟差）,5.2.1伪距测量,5.2.1.3伪距测量的原理（4）,卫星到接收天线的真实距离：,卫星到接收天线的“伪距（pseudorange）”：,5.2.1伪距测量,3：,5.2.1.3伪距测量的原理（5）,4.考虑电离层/对流层影响的伪距值：,C(dt dT)时钟偏差引起的距离偏差dion电离层效应引起的距离偏差dtrop对流层引起的距离偏差,5.2.1伪距测量,5.2.2伪距定位观测方程,是卫星在轨位置和用户位置的函数，即：,第j 颗卫星在时元t 的三维坐标，可从导航电文中求得,用户接收天线在时元t 的三维坐标，为待求的未知数,上式中有4个未知数（用户三维坐标和接收机的钟差dT）。这样在任何一个观测瞬间，用户至少需要同时观测4颗卫星，以便解算4个未知数。,5.2.2伪距测量的基本方程（续）,5.3 载波相位测量(1),1.伪距测量的不足：测距码的码元长度较长，因此量测精度较低。（对C/A码而言精度3m左右，P码约为30cm）2.如果把载波作为量测信号，载波的波长要短得多（L1=19cm，L2=24cm），比P码码元的长度小两个数量级。对载波进行相位测量，可以达到很高的精度。3.载波信号是一种周期性正弦信号，相位测量只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定性的问题，使解算过程变得比较复杂。,5.3 载波相位测量(2),4.重建载波：1)概念:将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波。2)方法：码相关法：(1)方法:将所接收到的调制信号(卫星信号)与接收机产生的复制码相乘(2)特点:局限制 需了解码的结构 优点 可获得导航电文,可获得全波长的载波,信号质量好 平方法:(1)方法:将所接收到的调制信号(卫星信号)自乘(2)优点 无需了解码的结构 缺点 无法获得导航电文,所获载波波长为原来波长的一半,信号质量较差,5.3 载波相位测量(3),5.3.1 载波相位测量原理5.3.2 载波相位测量的观测方程5.3.3 整周未知数N0的确定,5.3.1 载波相位测量原理,k 接收机在接收机钟面时刻tk 时观测j 卫星所取得的相位观测量,k 接收机在接收机钟面时刻tk 时所产生的本地参考信号的相位值,k 接收机在接收机钟面时刻tk 时所接收到的j 卫星载波信号的相位值,1.载波相位测量的观测量 GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。,2.,初始t0时刻，小于一周的相位差为0，其整周数为，则此时的相位观测值为：,3.,任一时刻ti卫星Sj 到k接收机的相位差：,整周数变化量,整周模糊度（常数）,三差法,5.3.2 载波相位测量的观测方程(1),1.载波相位测量是接收机（天线）和卫星位置的函数。只有得到了它们之间的函数关系，才能从观测量中求解接收机（或卫星）的位置。2.1)设在GPS标准时刻Ta（卫星钟时刻ta）卫星Sj发射的载波信号相位为（ta），经传播延迟后，在GPS标准时刻Tb（接收机钟时刻tb）到达接收机。2)根据电磁波传播原理，Tb时接收到的和Ta时发射时的 相位不变，即j（Tb）=j（ta）3)在Tb 时，载波相位观测量为：=（tb）-j（Tb）=（tb）-j（ta）,5.3.2 载波相位测量的观测方程(2),4)考虑卫星钟差和接收机钟差，有Ta=ta+ta,Tb=tb+tb,则：=（Tb-tb）-j（Ta-ta）(1)5)载波信号的相位与频率的关系为:（t+t）=（t）+f t（2）6)将(2)代入(1)得=（Tb）-fi tb-j（Ta）+f j ta（3）fi=f j=f 7)Tb=Ta+，由公式（2），得：Nkj+（Tb）=j（Ta）+f 8)公式（3）可改写为：=j（Ta）+f-f tb-j（Ta）+f ta-Nkj=f-f tb+f ta-Nkj（4）,5.3.2 载波相位测量的观测方程(3),3.传播延迟中考虑电离层和对流层的影响1和2，则：代入公式（4），得：,5.3.2 载波相位测量的观测方程(3),f：接收机产生的固定参考频率c:光速：卫星至接收机之间的距离（未知数）,1：电离层影响2：对流层影响ta：卫星钟差tb：接收机钟差（未知数）,4.1)接收机 k 对卫星 j 的载波相位测量的观测方程：,5.3.2 载波相位测量的观测方程(4),由于=c/f，则上式为：,两边同乘,得:,2)伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系,5.3.3 整周未知数N0的确定,静态方法动态方法,5.3.3.1静态方法,伪距法经典方法多普勒法快速测定整周未知数法(FARA)Fast ambiguity resolution approach,一 伪距法,2.将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位)减去伪距实际观测值后即可得到No。3.由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的No取平均值后才能获得正确的整波段数。,所以，得,5.3.3.1静态方法,1.,二 经典方法,将整周未知数当做平差中的待定参数,一)整数解二)实数解,5.3.3.1静态方法,二 经典方法整数解,1.短基线定位时一般采用这种方法。2 具体步骤：1)首先根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测值进行平差计算，求得基线向量和整周未知数。2)解得的整周未知数是一个实数，将其固定为整数(四舍五入法)，并重新进行平差计算。3)在计算中整周未知数采用整周值并视为已知数，以求得基线向量的最后值。,5.3.3.1静态方法,二 经典方法实数解,1.基线较长时采用这种方法。2.具体步骤类似整数解方法，区别在于解得的整周未知数是一个实数。注:采用经典方法时，需要较长的观测时间，影响了作业效率，所以只有在高精度定位领域中才应用,5.3.3.1静态方法,三 多普勒法（三差法）,1.由于连续跟踪的所有载波相位观测值中均含有相同的整周未知数N0，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就可消去N0，从而解出坐标。然后再根据坐标值求解N0。,5.3.3.1静态方法,2.1)tm时刻卫星Sj到k接收机的相位差：,(1),2)tn时刻卫星Sj到k接收机的相位差：,(2),公式（1）-（2），即可消除N0,3.两个历元间的载波相位观测值之差受接收机钟及卫星钟的随机误差影响，所以精度不太好，往往用来求整周数的初始值。,1.1990年EFrei和GBeutler提出2.基本思路：1)利用初始平差的解向量及其精度信息，以参数估计和统计假设检验为基础，确定在某一置信区间内N0的可能的整数解的组合；2)依次将N0的每一组合作为已知值，重复进行平差计算。使估值的验后平差或方差和为最小的一组N0，即为最佳估值。3)利用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只须观测一分钟即可确定整周未知数 此方法已在快速静态定位中得到了广泛应用,四 快速确定整周未知数法(FARA)Fast ambiguity resolution approach,补充 静态法的不足,使用静态方法时，一旦对所测卫星失锁，则接收机载体必须停下来，重新确定整周未知数，严重限制了载波相位观测法在高精度动态定位中的有效应用。,5.3.3.2动态初始化法AROFAmbiguity resolution on the fly,1993年徕卡公司开发成功基本思想：根据接收机在运动过程中对载波信号的短时间观测值，与参考站的同步观测值一起，利用快速解算法确定N0。然后利用逆向求解方法来确定载体在上述短时间内的瞬时位置。,动态初始化法的特点,在载体的运动过程中，所观测的卫星一旦失锁，为确定整周未知数，运动载体不需停下来重新进行初始化工作。已在短距离（10km）的实时动态相对定位中，得到了成功应用，定位精度可达厘米级。,作 业,GPS卫星定位的基本原理是什么？2.什么叫伪距？伪距测量的特点有哪些？3.为什么采用码相关法测定伪距？4.解释重建载波，主要方法有哪些？各有什么优缺点？5.在载波相位测量中，确定整周未知数主要有哪些方法？,5.4整周跳变的修复,5.4.1 屏幕扫描法5.4.2 用高次差或多项式拟合法5.4.3 在卫星间求差法 5.4.4 用双频观测值修复周跳5.5.5 根据平差后的残差发现和修复整周跳变,整周跳变的修复,任一时刻ti卫星Sj到k接收机的相位差,不足一周的相位差,ti 时刻的整周数,周跳的含义,在跟踪卫星过程中，由于某种原因，使得计数器无法连续计数。当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为整周跳变，简称周跳。,周跳的含义（续）,1.如果是因为电源的故障或振荡器本身的故障使信号暂时中断，那么中断前后信号本身失去了连续性。恢复正常工作后的观测值中不但整周计数不正确，不足整周的部分也不对。这时，修复周跳没有什么意义。2.必须将资料分为两个时段，各设一个整周未知数单独进行处理。,整周跳变的修复方法,5.4.1 屏幕扫描法5.4.2 用高次差或多项式拟合法5.4.3 在卫星间求差法5.4.4用双频观测值修复周跳5.4.5根据平差后的残差发现和修复整周跳变,5.4.1 屏幕扫描法,作业员在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每颗卫星的相位观测值的变化率的图像进行逐段检查，观测其是否连续。如果出现不规则的突然变化，说明出现了周跳现象。手工编辑修复。,5.4.2 用高次差或多项式拟合法,5.4.2.1.高次差法：1.依据：该方法是根据有周跳现象的发生将会破坏载波 相位测量的观测值Int（）+随时间而有规律变化的特性来探测的 2.方法：在相邻的观测值间依次求差（一次差、二次 差、五次差），检查是否出现异常。3.缺点：用求差法一般难于探测出只有几周的小周跳，可用曲线拟合方法即可,5.4.2 用高次差或多项式拟合法（续）,5.4.2.2多项式拟合法：根据几个相位观测量拟合一个n阶多项式，据此预估下一个观测值，并与实测值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。,5.4.2 用高次差或多项式拟合法（续）,用高次差检查周跳,高次差具有随机特性，无周跳现象存在。,5.4.2 用高次差或多项式拟合法（续）,历元t5观测值有周跳，使四次差产生异常。,用高次差检查周跳（续）,5.4.3 在卫星间求差法,由于每颗卫星的载波相位观测值受到接收机振荡器的随机误差的影响相同，所以在卫星间求差即可消除接收机振荡器的随机误差引起的周跳误差,5.4.4 用双频观测值修复周跳,1.又称电离层残差法2.对双频载波相位观测值进行组合运算，同时考虑电离层折射改正，结果中只剩下整周数之差和电离层折射的残差项。利用此结果即可探测周跳。,5.4.4 用双频观测值修复周跳（续）,双频接收机的两个载波频率的相位观测量：,考虑到电离层折射改正 则有：,已消去距离项和钟差项，以及对流层改正项。只剩整周数之差与电离层折射的残差项（值很小）。,5.4.4 用双频观测值修复周跳（续）,优点：-中只涉及频率，取决于电离层残差影响，无须预先知道测站和卫星坐标。缺点：1.如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则无法采用此方法。2.不能顾及多路径效应和测量噪声的影响。,5.4.5根据平差后的残差发现和修复周跳,1.经过上述处理的观测值中还可能存在一些小周跳,修复后的周跳可能会引入12周的偏差。2.对修复后的观测值进行平差计算，求得各观测值的残差。有周跳的观测值会出现很大的残差。,5.5 GPS绝对定位与相对定位,A 1.GPS绝对定位也叫单点定位，即直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标系原点地球质心的绝对位置。,5.5 GPS绝对定位与相对定位,2.绝对定位实质：应用测距交会的原理，利用三颗以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点（用户接收机）的在WGS-84坐标系中的位置。,5.5 GPS绝对定位与相对定位,载波相位测量较难应用于动态绝对定位中的原因：载体在运动过程中，要保持对所测相同卫星的连续跟踪，技术上有一定困难动态解算整周未知数的方法，其应用尚有一定的局限,5.5 GPS绝对定位与相对定位,4.受卫星轨道误差、钟差以及信号传播误差等影响，定位精度较低-静态绝对定位精度约为米级-动态绝对定位精度为1040m,5.5 GPS绝对定位与相对定位,B 相对定位1.定义：是至少用两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）2.它是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法3.应用范围：精密导航、大地测量、精密工程测量、地球动力学研究等,5.5 GPS绝对定位与相对定位,5.5.1静态绝对定位5.5.2静态相对定位,5.5.1静态绝对定位,5.5.1.1 伪距法绝对定位5.5.1.2 伪距法绝对定位的解算5.5.1.3 应用载波相位观测值进行静态绝对定位5.5.1.4 绝对定位精度评价,5.5.1静态绝对定位,注：上式中有4个未知数（用户三维坐标和接收机的钟差dT）。在任何一个观测瞬间，用户至少需要同时观测4颗卫星，以便解算4个未知数。,1.观测方程：,5.5.1.1 伪距法绝对定位,5.5.1.1 伪距法绝对定位,伪距观测方程的线性化形式：,2.观测方程的线性化：,5.5.1静态绝对定位,5.5.1.2 伪距法绝对定位的解法,1 利用最小二乘原理（通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配）求解测站坐标的改正数(x y z)。2 是一个迭代的过程。将每次计算出的坐标和钟差作为初始值，重新代入进行解算。直到结果符合一定阈值。注：具体解算看书,5.5.1静态绝对定位,5.5.1.3 应用载波相位观测值进行静态绝对定位,f：接收机产生的固定参考频率c:光速：卫星至接收机之间的距离（未知数）:整周未知数（未知数）,1：电离层影响2：对流层影响ta：卫星钟差tb：接收机钟差（未知数）,1.接收机 k 对卫星 j 的载波相位测量的观测方程：,5.5.1静态绝对定位,5.5.1.3 应用载波相位观测值进行静态绝对定位,2.将观测方程线性化3.利用最小二乘原理求解测站坐标、接收机钟差、整周未知数4.由于存在整周未知数问题，在观测4颗卫星的情况下，至少必须3个历元，对相同的卫星进行同步观测 5.精度高于伪距法静态绝对定位 整周未知数固定解/实数解6.解算结果可为相对定位的参考站提供较为精密的起始坐标,5.5.1.4 绝对定位精度评价,1.DOP值的性质 a 用于单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它表示的是定位的几何条件 b 它的值越小，定位的几何条件越好。2.GPS绝对定位精度主要取决于 1）卫星分布的几何条件 2）观测量的精度 3.精度因子 看书 4.精度因子的数值与所观测卫星的几何分布有关,5.5.1.4 绝对定位精度评价,一般地，六面体体积越大，GDOP值越小精度高,GDOP较小,选星问题,实际观测中，为了减弱大气折射的影响，所测卫星的高度角不能过低。在这一条件下，尽可能使卫星与测站构成的六面体体积最大。理论分析表明：在观测四颗星时，任意两方向之间的夹角为109度时，其六面体的体积最大。可由用户接收设备自动完成。,单点定位的误差源及应对方法,卫星星历精密星历卫星钟差精密钟差、地面跟踪电离层延迟双频改正对流层延迟模型改正,补充,精密单点定位,精密单点定位PPP Precise Point Positioning特点主要观测值为载波相位采用精密的卫星轨道和钟数据采用复杂的模型定位精度亚分米级用途全球高精度测量卫星定轨,补充,1.概念：用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。,5.5.2静态相对定位,5.5.2静态相对定位,静态：载波相位测量（测相）动态,相对定位,伪距法（测码）载波相位测量,2.特点：1）可以消除许多相同或相近的误差，定位精度高 2）广泛应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究和精密导航3.分类,5.5.2静态相对定位,4.1）在高精度静态相对定位中，当仅有两台接收机时，一般应考虑将单独测定的基线向量联结成向量网（三角网或导线网），以增强几何强度，改善定位精度。2）当有多台接收机时，应采用网定位方式，可检核和控制多种误差对观测量的影响，明显提高定位精度。,作业,1.什么是周跳？它是如何产生的？修复的方法有哪些？2.如何评价绝对定位的精度？3.一次差、二次差、三次差分别能消除什么误差？,5.6 美国的GPS政策,5.6.1 美国的SA和AS政策5.6.2 针对SA和AS政策的政策5.6.3 GPS现代化计划,5.6.1 SA和AS政策,1.GPS卫星发射的测距码：1）P码 精密定位服务（PPS）精度10米 军用、得到特许的部门 2）C/A码 标准定位服务（SPS）精度2030米 民用 AS政策后100米,1989.111990.9：“SA”和“AS”实验1991.7：实施SA技术,5.6.1.1 SA（Selective Availability）技术,1.SA技术称有选择可用性技术 2.目的：降低非特许用户GPS实时定位精度 水平定位精度 100米 高程定位精度 140米 定时精度 340纳秒3.主要内容：1）广播星历：对卫星基准频率使用技术，降低星历精度；2）在卫星钟的钟频信号中加高频抖动（技术）,5.6.1.1 SA（Selective Availability）技术（续）,4 现状 补充 1）2001年5月1日下午，美国宣布取消SA政策2）随着GPS系统的增强，第二频率上蒋发播C/A码伪距，增强第三频率，卫星钟差和电离层延时的影响进一步减小。双频单点定位精度可达12米。,5.6.1.2AS（Anti-Spoofing）技术,1.反电子欺骗技术2.将P码与保密的W码相加成Y码，Y码严格保密。3.目的：防止敌方使用P码进行精密导航定位。,5.6.1.3SA和AS技术对定位的影响,1.降低单点定位精度2.降低长距离相对定位精度3.AS技术给确定整周未知数带来不便,是否实施SA政策，可以从导航电文中的测距精度（URA）中判别（书上例子）,5.6.1.2针对SA和AS政策的政策,1.应用P-W技术和L1与L2交叉相关技术2 研制能同时接收GPS和GLONASS信号的接收机3 发展DGPS和WADGPS差分GPS系统4 建立独立的GPS卫星测轨系统5 建立独立的卫星导航与定位系统,应用P-W技术和L1与L2交叉相关技术,目的：使L2载波相位观测值得到恢复，其精度与使用P码相同P-W技术：将接收到的L1和L2信号和接收机生成的以原P码信号为基础的人工复制信号相关，并将频带宽度降低得到密码带宽，便可获知W码的估值，将上述接收到的信号减去W码估值，恢复P码L1与L2交叉相关技术：可辨认Y1-Y2的值，进一步得到L2码伪距,研制能同时接收GPS和GLONASS信号的接收机,GLONASS无SA技术，定位精度高于GPS接收机,发展DGPS和WADGPS差分GPS系统,已在不少国家和地区得到了发展定位精度达厘米级应用领域广泛,建立独立的GPS卫星测轨系统,利用GPS卫星，建立独立的跟踪系统，以精密地测定卫星轨道，为用户提供精密星历服务加拿大、澳大利亚和欧洲的一些国家在实施建立区域性或全球精密测轨系统的计划以美国为首从1986年开始建立的国际合作GPS卫星跟踪网（CIGNET）,建立独立的卫星导航与定位系统,GLONASS、伽俐略计划、北斗计划技术复杂、耗资巨大,GPS现代化计划,增加民用信号 改善现有信号 克服大气层效应 改善地面设施 开发第三代GPS卫星,增加民用信号,民用空间信号：标准精度服务SPS1998年美国副总统戈尔宣布在L2=1227.6MHz频率上广播第二民用信号2005年在L5=1176.45MHz上广播第三民用信号对于单点定位的用户，利用第二和第三民用信号改善定位精度，提高信号的可用性和服务的连续性,军用信号,保护作战区内的军用服务，防止敌方使用GPS服务，保存区域外的民用服务军用PPS服务中提供新的军用M码，比现有的P码功率大,改善现有信号,为了提高对欧盟GNSS定位系统的竞争力，2000年5月2日，克林顿总统宣布：即日起停止SA技术用户可得到优于22m的水平SPS定位精度,克服大气层效应,使用L2 C/A码与L1相结合，使电离层误差从7.0m降低到0.1m,改善地面设施,改善地面控制设备，提高对GPS卫星的监测能力，使控制网络更加稳定，提高定位精度,差分定位,静态定位中：相对定位动态定位中：差分定位,讲授内容,5.7 差分GPS定位原理,两台GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。,GPS相对定位,一个测站上对两个目标的观测值；两个测站上对同一目标的观测值；一个测站上对一个目标的两次观测值；,利用求差后的观测值解算两观测站间的基线向量。,差分技术在相对定位中的运用,“(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。,基准接收机,动态接收机,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,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,基准站上的DGPS数据链,RS-232-C接口,数据终端设备和数据通信设备间的串行二进制数据交换的接口在基准站上：将DGPS数据送到调制解调器在动态站上：从调制解调器取得DGPS数据，并送到信号接收机,调制解调器,在基准站上：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,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：接收DGPS数据,基准站,基准站坐标(X0,Y0,Z0),L1、L2(P、INT、Frd（）),流动站,差分GPS技术可以消除的误差,1.多台接收机公有的误差（可完全消除）-卫星钟误差、星历误差2.传播延迟误差（大部分消除）-电离层误差、对流层误差3.接收机固有的误差-内部噪声、通道延迟误差、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,差分GPS分类（二）,5.7.1 单基准站GPS差分5.7.2局部区域差分5.7.3广域差分,位置差分 伪距差分 载波相位差分,5.7.1.单站GPS的差分,5.7.1.1位置差分5.7.1.2伪距差分5.7.1.3载波相位差分,1.原理1)计算基准站的精密坐标与观测坐标的改正数；2)基准站发送坐标改正数，用户接收机接收其并对自身观测值进行修正。,5.7.1.1位置差分,5.7.1.1位置差分,2.计算步骤 1）基准站的精密坐标已知（X0，Y0，Z0），在基准站上的接收机测得的坐标为（X，Y，Z）（包含各种误差），所以，坐标改正数为：,2）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：,3 位置差分的特点,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,5.7.1.1位置差分,5.7.1.2伪距差分,1.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。,2.计算步骤,1）根据基准站已知坐标（X0,Y0,Z0）和观测到的卫星星历,计算每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离，如下：,伪距改正数为：,其变化率为：,伪距,5.7.1.2伪距差分,5.7.1.2伪距差分,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：,然后按下式计算坐标：,用户接收机钟差,接收机噪声,3 C/A码伪距的单点定位和DGPS测量的精度估值比较,4.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,5.7.1.2伪距差分,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。缺点：精度随基准站到用户的距离增加而降低。,5.伪距差分的特性,5.7.1.2伪距差分,1 RTK（Real Time Kinematic）技术2 实时处理两个观测站载波相位观测量的差分方法。3 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）：将基准接收机的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标,5.7.1.3载波相位差分,4 载波相位差分观测量方程,RTK的工作原理,5.7.1.3载波相位差分,静态方法动态方法,载波相位差分求解的关键,起始相位模糊度的确定,静态法,伪距法经典方法多普勒法快速确定法,需要对GPS卫星的静态观测来实现,伪距法,将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位)减去伪距实际观测值后即可得到No。由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的No取平均值后才能获得正确的整波段数。,所以，得,经典方法,将整周未知数当做平差中的待定参数,整数解 实数解,多普勒法（三差法）,由于连续跟踪的所有载波相位观测值中均含有相同的整周未知数N0，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就可消去N0，从而解出坐标。然后再根据坐标值求解N0。,快速确定整周未知数法,1990年EFrei和GBeutler提出 基本思路：利用初始平差的解向量及其精度信息，以参数估计和统计假设检验为基础，确定在某一置信区间内N0的可能的整数解的组合；依次将N0的每一组合作为已知值，重复进行平差计算。使估值的验后平差或方差和为最小的一组N0，即为最佳估值。,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）,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。,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,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；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；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；将上述改正数用数据通信链传输到用户站；用户利用这些改正数修正自己的观测值，计算出精密结果。,广域差分的特点,定位精度对空间距离的敏感程度比局部区域差分低得多；更大的经济效益；定位精度均匀分布，且精度高；覆盖区域广；硬件昂贵，技术复杂。可靠性和安全性不如单个的局域差分。,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CA码单点定位试验,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，并与国家级点计算坐标比较,虚拟参考站法（VRS）偏导数法线性内插法条件平差法,多基站RTK技术（网络RTK）,虚拟参考站系统组成,控制中心既是通讯控制中心，也是数据处理中心。通过通讯线（光缆，ISDN，电话线）与所有的固定参考站通讯；通过无线网络（GSM，CDMA，GPRS.）与移动用户通讯 固定站分布在整个网络中，最少要3个站，站与站之间的距离可达70公里，数据实时的传送到控制中心用户用户的接收机加上无线通讯的调制解调器。通过无线网络将自己初始位置发给控制中心，并接收中心的差分信号，生成厘米级的位置信息,VRS工作步骤,各固定参考站将所有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心移动用户在工作前，先向控制中心发送一个概略坐标，控制中心根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体的改正GPS的各种误差，将高精度的差分信号发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟参考基站移动站与虚拟参考站进行载波相位差分改正，实现实时RTK。,VRS与普通广域差分系统的区别,普通广域差分系统：各基准站将各种误差改正数模型发送给移动用户VRS：各基准站不直接向移动用户发送DGPS数据，而是将其发送到控制中心，后者依据用户的实时请求，经过选择和计算，向用户发送DGPS数据,VRS相对于普通RTK的优势,覆盖范围广 按边长70公里计算，一个三角形可覆盖面积为2200多平方公里。北京市区面积900多平方公里，那么一个三角形（3个站）就可控制整个北京市区。10个站就可以完全控制北京全市。,VRS的优势,2.费用将大幅度降低 70公里的边长使建GPS网络费用大大降低，用户不再架设自己的基准站 3.相对传统RTK，提高了精度。在VRS网络控制范围内，精度始终在1-2个厘米。4.可靠性提高 采用了多个参考站的联合数据，大大提高可靠性。5.应用范围更广 城市规划，市政建设，交通管理，机械控制，气象，环保，农业等。,网络RTK的发展前景,将极大扩展GPS的应用领域，业内人士认为，未来5至10年，GPS网络建设将高速发展，而这种网络RTK技术，将代表着GPS发展的方向。目前我国只有深圳、北京（在建）、成都（在建）等地采用了此项技术。,