5.GPS差分定位基本原理

GPS差分定位基本原理 差分GPS定位方法 根據(jù)基準站已知精密坐標 計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù) 并由基準站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送 用戶不但接收GPS信號 同時也接收基準站的改正數(shù) 并對其定位結果進行改正 以提高定位精度 分為單基站差分 多基準站的局部區(qū)域差分和廣域差分 差分定位基本原理 基準站 移動目標 修正量 概述 差分GPS產(chǎn)生的誘因 絕對定位精度不能滿足要求GPS絕對定位的精度受多種誤差因素的影響 完全滿足某些特殊應用的要求美國的GPS政策對GPS絕對定位精度的影響 選擇可用性SA SA關閉前后GPS絕對定位精度的變化 概述 差分GPS DGPS DifferentialGPS 利用設置在坐標已知的點 基準站 上的GPS接收機測定GPS測量定位誤差 用以提高在一定范圍內其它GPS接收機 流動站 測量定位精度的方法RTCM 104格式 影響絕對定位精度的主要誤差 主要誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差大氣延遲 對流層延遲 對流層延遲 多路徑效應對定位精度的影響 PDOP PositionDilutionofPrecision 位置精度衰減因子 差分GPS的基本原理 誤差的空間相關性以上各類誤差中除多路徑效應均具有較強的空間相關性 從而定位結果也有一定的空間相關性 差分GPS的基本原理利用基準站 設在坐標精確已知的點上 測定具有空間相關性的誤差或其對測量定位結果的影響 供流動站改正其觀測值或定位結果差分改正數(shù)的類型距離改正數(shù) 利用基準站坐標和衛(wèi)星星歷可計算出站星間的計算距離 計算距離減去觀測距離即為距離改正數(shù) 位置 坐標改正數(shù) 改正數(shù) 基準站上的接收機對GPS衛(wèi)星進行觀測 確定出測站的觀測坐標 測站的已知坐標與觀測坐標之差即為位置的改正數(shù) 差分GPS對測量定位精度的改進 差分GPS的分類 根據(jù)時效性實時差分事后差分根據(jù)觀測值類型偽距差分載波相位差分根據(jù)差分改正數(shù)位置差分 坐標差分 距離差分根據(jù)工作原理和差分模型局域差分 LADGPS LocalAreaDGPS 單基準站差分多基準站差分廣域差分 WADGPS WideAreaDGPS 位置差分 距離差分 距離改正 坐標改正 位置差分 用戶接收到坐標改正數(shù)對其計算得到的坐標進行改正 經(jīng)過坐標改正后的用戶坐標已經(jīng)消去了基準站與用戶的共同誤差 如星歷誤差 大氣折射誤差 衛(wèi)星誤差 提高精度 位置差分GPS是一種最簡單的差分方法 安置在已知精確坐標基準站GPS接收機 利用數(shù)據(jù)鏈將坐標改正數(shù)發(fā)送給用戶 偽距差分 偽距差分時目前應用最為廣泛的一種差分定位技術 通過在基準站上利用已知坐標求出站星的距離 并將其與含有誤差的測量距離比較 并將測距誤差傳輸給用戶 用戶用此來對測距進行相應改正 但偽距差分很大程度上依賴兩站距離 隨著距離增加 其公共誤差減弱 如對流層 電離層 因此應考慮距離因素 位置差分和距離差分的特點 位置差分差分改正計算的數(shù)學模型簡單差分數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少基準站與流動站要求觀測完全相同的一組衛(wèi)星距離差分差分改正計算的數(shù)學模型較復雜差分數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較多基準站與流動站不要求觀測完全相同的一組衛(wèi)星 單基準站局域差分 結構基準站 一個 數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學模型 差分改正數(shù)的計算方法 提供距離改正和距離改正的變率特點優(yōu)點 結構 模型簡單缺點 差分范圍小 精度隨距基準站距離的增加而下降 可靠性低 多基準站局域差分 結構基準站 多個 數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學模型 差分改正數(shù)的計算方法 加權平均偏導數(shù)法最小方差法特點優(yōu)點 差分精度高 可靠性高 差分范圍增大缺點 差分范圍仍然有限 模型不完善 多基準站差分系統(tǒng)結構 廣域差分 結構基準站 多個 數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學模型 差分改正數(shù)的計算方法 與普通差分不相同普通差分是考慮的是誤差的綜合影響廣域差分對各項誤差加以分離 建立各自的改正模型用戶根據(jù)自身的位置 對觀測值進行改正特點優(yōu)點 差分精度高 差分精度與距離無關 差分范圍大缺點 系統(tǒng)結構復雜 建設費用高 位置差分原理 設已知基準站的精密坐標 x0 y0 z0 可求坐標改正數(shù) 用數(shù)據(jù)鏈發(fā)送出去 用戶接收機接收后改正 顧及用戶位置改正的瞬時變化 可得 用戶坐標中消去了基準站與用戶站的共同誤差 例如衛(wèi)星軌道誤差 SA影響 大氣影響等 優(yōu)點 計算簡單 適用各種GPS接收機 缺點 要求觀測同一組衛(wèi)星 近距離可做到 距離較長很難滿足 位置差分只適用于基準站與用戶站相距100km以內的情況 偽距差分原理 差分定位是相對定位的一種特殊應用 高精度相對定位采用的是載波相位測量定位 而差分定位則主要采用偽隨機碼偽距測量定位 其基本方法是 在定位區(qū)域內 于一個或若干個已知點上設置GPS接收機作為基準站 連續(xù)跟蹤觀測視野內所有可見的GPS衛(wèi)星偽距經(jīng)與已知距離比對 求出偽距修正值 稱為差分修正參數(shù) 通過數(shù)據(jù)傳輸線路 按一定格式發(fā)播測區(qū)內的所有待定點接收機 除跟蹤觀測GPS衛(wèi)星偽距外 同時還接收基準站發(fā)來的偽距修正值 對相應的GPS衛(wèi)星偽距進行修正然后 用修正后的偽距進行定位 差分定位在基準站的支持下 利用差分修正參數(shù)改正觀測偽距大大消減衛(wèi)星星歷誤差 電離層和對流層延遲誤差及SA的影響 提高定位精度 實時定位精度可達10 15m 事后處理的定位精度可達3 5m差分定位需要數(shù)據(jù)傳播路線 用戶接收機要有差分數(shù)據(jù)接口一個基準站的控制距離約在200 300km范圍 偽距差分是目前用途最廣的一種差分技術 幾乎所有的商用差分GPS接收機均采用這種技術 已知基準站精密坐標和用星歷計算得到的某一時刻的衛(wèi)星坐標 可計算衛(wèi)星到基準站的真實距離 根據(jù)測量值可得偽距改正數(shù)及變化率 用戶的改正偽距即為 利用改正的偽距按觀測方程計算用戶坐標 優(yōu)點 偽距改正是在 坐標上進行的 得到的是直接改正數(shù) 所以可到達很高的精度 可提供改正數(shù)及變化率 所以在未得到改正數(shù)的空隙內能繼續(xù)精密定位 基準站提供所有衛(wèi)星改正數(shù) 用戶只需接收 顆衛(wèi)星信號 結構可簡單 缺點 與位置差分相似 偽距差分能將兩站公共誤差抵消但隨用戶到基準站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差 這種誤差用任何差分法都是不能消除的 基準站和用戶站間距離對偽距差分的精度有決定性影響 星歷提供的衛(wèi)星鐘與 時間不精確同步 衛(wèi)星實際位置和計算位置不一致兩地測量誤差始終有無法校正的剩余誤差 結論 用戶站和基準站距離越大 用 差分得到的位置精度越低 衛(wèi)星位置誤差與 差分誤差成正比關系 擴展偽距差分 廣域差分 在一個廣闊的地區(qū)內提供高精度的差分 服務 將若干基準站和主站組成差分 網(wǎng) 主站接收各個監(jiān)測站差分 信號 組合后形成擴展區(qū)域內的有效差分 改正電文 再把擴展 改正信號發(fā)送出去給用戶接收機 擴展偽距差分 廣域差分 廣域差分 的基本思想 對 觀測量的誤差源加以區(qū)分 將每一誤差源的數(shù)值通過數(shù)據(jù)鏈傳輸給用戶站 改正用戶站的 定位誤差引入電離層模型 對流層模型和衛(wèi)星星歷誤差估算 包括衛(wèi)星鐘差改正 擴展偽距差分 廣域差分 誤差集中表現(xiàn)為三方面 星歷誤差 擴展差分依賴區(qū)域精密定軌確定精密星歷取代廣播星歷 大氣時延誤差 電離層時延和對流層時延 廣域差分通過建立精密區(qū)域大氣時延模型 精確計算大氣時延量 改正模型衛(wèi)星鐘差誤差 廣域差分可計算出衛(wèi)星鐘各時刻的精密鐘表值 相位平滑偽距差分原理 偽距差分實際上是在測站之間求偽距觀測值的一次差 因而消除了兩偽距觀測值中所含有的共同的系統(tǒng)誤差 但是卻無法消除偽距觀測值中所含有的隨機誤差 從而限制了偽距差分定位的精度 載波相位測量的精度較測距碼偽距測量的精度高2個數(shù)量級 如果能用載波相位觀測值對偽距觀測值進行修正 就可提高偽距定位的精度 但是載波相位整周數(shù)無法直接測得 因而難以直接利用載波觀測值 相位平滑偽距差分原理 雖然整周數(shù)無法獲得 但可由多普勒頻率計數(shù)獲得載波相位的變化信息 即可獲得偽距變化率的信息 可利用這一信息來輔助偽距差分定位 稱為載波多普勒計數(shù)平滑偽距差分 另外 在同一顆衛(wèi)星的兩歷元間求差 可消除整周未知數(shù) 可利用歷元間的相位差觀測值對偽距進行修正 即所謂的相位平滑偽距差分 載波相位差分原理 差分GPS的出現(xiàn) 能實時給定裁體的位置 精度為米級 滿足不了引航 水下測量等工程的要求 位置差分 偽距差分 偽距差分相位平滑等技術已成功地用于各種作業(yè)中隨之而來的是更加精密的測量技術 載波相位差分技術 載波相位差分技術建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的 它能實時提供觀測點的三維坐標 并達到厘米級的高精度 載波相位差分原理 與偽距差分原理相同 由基準站通過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站 用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自基準站的載波相位 并組成相位差分觀測值進行實時處理 能實時給出厘米級的定位結果 實現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類 修正法 與偽距差分相同 基準站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站 以改正其載波相位 然后求解坐標 為準RTK技術 差分法 后者將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶進行求差解算坐標 為真正的RTK技術 載波相位實時動態(tài)差分技術 RTK RealTimeKinematic GPS技術 實時差分動態(tài) RealTimeKinematic RTK 測量系統(tǒng) 是GPS測量技術與數(shù)據(jù)傳輸技術相結合而構成的組合系統(tǒng) 它是GPS測量技術發(fā)展中的一個新的突破 RTK測量技術 是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS測量技術 RTK測量技術是準動態(tài)測量技術與AROTF算法和數(shù)據(jù)傳輸技術相結合而產(chǎn)生的 它完全可以達到 精度 速度 實時 可用 等各方面的要求 RTK RealTimeKinametic 實時動態(tài)差分 系統(tǒng)構成參考站 基準站 流動站數(shù)據(jù)鏈應用 數(shù)據(jù)鏈 1 概述差分GPS定位系統(tǒng)是由一個基準站和多個用戶臺組成 基準站與用戶臺之間的聯(lián)系 即由基準站計算出的改正數(shù)發(fā)送到用戶臺的手段是靠數(shù)據(jù)鏈完成的 數(shù)據(jù)鏈由調制解調器和電臺組成 調制解調器是將改正數(shù)進行編碼和調制 然后輸入到電臺上發(fā)射出去 用戶臺將其接收下來 并將數(shù)據(jù)解調后 送入GPS接收機進行改正 電臺是將調制后的數(shù)據(jù)變成強大的電磁波輻射出去 能在作用范圍內提供足夠的信號強度 使用戶臺能可靠地接收 發(fā)射頻率和輻射功率的選擇是數(shù)據(jù)鏈的重要問題 它視作用距離而定 根據(jù)已建立的各種無線電導航系統(tǒng)的發(fā)射頻率和作用距離 將通信設備分為直接波傳輸和地波傳輸兩大類 2 RS 232接口GPS接收機和調制解調器間通信一般采用它 3 調制解調器差分GPS數(shù)據(jù)鏈中常用的三種調制方式 FSK MSK和GMSK4 糾錯編碼是提高數(shù)字傳輸可靠性的一項技術 是正確傳輸差分GPS改正信號的重要手段 避免錯誤出現(xiàn)必須差錯控制 其關鍵是糾錯編碼 思想 一是譯碼糾錯 二是出錯反饋重發(fā)糾錯 1 前向糾錯FEC不需要反饋 適用于單向信道 譯碼設備復雜 2 檢錯重傳ARQ冗余碼少 譯碼簡單 需雙向信道 3 混合差錯控制HEC避免F