(整理)6GPS相对定位ccc.

1、精品文档第六章GPS相对定位GPS相对定位是利用两台 GPS接收机，分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。6.1静态相对定位静态相对定位一般均采用载波相位观测值(或测相伪距)为基本观测量，对中等长 度的基线(100-500km)，相对定位精度可达 10-6-10-7甚至更好。观测量的线性组合假设安置在基线端点的接收机 Ti(i=1,2)，对GPS1星sj和sk，于历元t1和t2进行了 同步观测，可以得到如下的载波相位观测量： 1j(t1) 、 1j(t2) 、 1k(t1) 、 1k(t2)、 胳( 、申 2j(t2)、半 2k(

2、t1)、半2k(t2)。若取符号j(t) 、门(t)和尹!ij(t) 分别表示不同接收机之间(站间差分) 、不同卫 星之间(星间差分)和不同观测历元之间(历元间差分)的观测量之差，则有：j(t)2(t) T(t)ikj(t)= k(t)- T(t) ：/(tl,t2)九2)- T(tJ已知载波相位观测方程为：ij(t)二 f 讦(t) f、ti(t) -屮-Nij(t)f jlp(t) jT(t)cc1、单差(Single-DiffereneeSD):在不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差。观测方程：SD2二厶j=卩2 (t) -计(t)=1P2 (t)-刊(t) + f 蛻 2 (t)

3、-册1 (t)-切(to) - N1j (to)扎+1 站 I p (t) & I p (t) + &T (t) - & T (t)】在上式中，卫星钟差的影响已经消除，这是单差模型的优点。两观测站接收机的相对钟差，对同一历元两站接收机同步观测量所有单差的影响均为常量。而卫星轨道误差 和大气折射误差，对两站同步观测结果的影响具有相关性，其对单差的影响明显减弱。如果对流层对独立观测量的影响已经根据实测大气资料利用模型进行了修正；而电 离层的影响也利用模型或双频技术进行了修正，则载波相位观测方程中相应项，只是表示修正后的残差对相位观测量的影响。这些残差的影响，在组成单差时会进一步减弱。 如果忽略之，

4、若T1为已知点，则单差观测方程线性化为：sd2 =A%2(t)=2(t)时-N1j (to)l二1 烏(t) - 材丨 f | t2(t)-“ L二1鳥一和丨f ：t(t) - ：N j1 j j j j=l2 (t), m2 (t), n2 (t)Xi + f2(t) ANj (to) 扎式中:協二 gt) - t1 (t) nJ = N2(to) N1j(to)误差方程为:-J 9m2 2 2- f.%2(t)厶nJ丄12 (t)式中:M2(t)_ fcJn(t)若两观测站同步观测卫星数为Uv2(t)f l；(t)(;?2j0 (t)-讦0(t) -SD12(t) cnj,则误差方程组为：

5、m； (t)m； (t)n；(t) n；(t)m2(t)盹11AN2也 L2(t)|切2 ft(t)-+也j j_1 一n jn j空一nj(t)_11或 v(t)二 a(t) X 2 b(t) ：N c(t) ：t(t)l (t)若同步观测同一组卫星的历元数为nt，同理可列出相应的误差方程组。V(t)二 A(t) X2 - B(t)：N - C(t).辻(t)l(t)2、双差(Double-DiffereneeDD):在不同观测站，同步观测同一组卫星，所得单差之差。DD殳八门jk (t) -(t) 一 诂(t)-f 时(t)T(t)】f Lt2(t)-、t1(t)L .：N1；(t。) e讨

6、(t)l f比代)-、沁)1-讪加0)精品文档双差模型的优点是消除了接收机钟差的影响。如果取观测站T1作为已知参考点，则双差观测方程线性化为:DDij；=越牡jk(t)=也时2(t)-叫2(t)八1 l；(t),m；(t),n；(t)、X2 f 叽- ：Nk(to)扎1-l 2 (t), m2 (t), n2 (t)% + f% (t) - AN j(to) 扎5；(t)咲2N1 巧。(t)2(t)-T 时(t)i扎误差方程为：jk _V12 (t)二XL/Vkj 2kJ 2nXL/V2TJI Nj i ：lk(t)pi2k(t)【 卩 m； (t) n；(t) 一式中:l；(t)-l2(t)

7、 I|m； (t) - m2 (t) Ln ；(t)- n2(t)、：Ni2； = ：Nk _ N j k(t)八.：k(t)一1隘- dk(t)-诂 讦】 扎若两观测站同步观测卫星数为nj，则误差方程组为：vj(t)2V12 (t)屛化)_vi2(t)1 vif(t) kWj(t)1、m2(t)k皿(t)5；j(t)1m (t)Vn 2(t) 5X2W(t)_VAN1(toH _l1(t) 122pAN (to)十 Nd (t)jVANnj(toJ 忖Al nj(t)或v(t)二 a(t)、X2b(t)Nt(t)l(t)若同步观测同一组卫星的历元数为nt，同理可列出相应的误差方程组。V (t

8、) = A (t)、X 2 B (t)：?-NL(t)3、三差(Triple-Differenee TD)：于不同历元，同步观测同一组卫星，所得观测量的 双差之差。汐二防(t)八厂 k(t2)二：k(t1)r(t)iEk(t) 叫) 少1(t).=丄 &) _ P： &) - P2 &) + P1j &) L -IP： (t1 ) - P： (tj 一 P2 (1 ) + P1 (tj 1 ee昵1vk (t)= - 丹|； (t)冈m；(t) 6%；(t)】 | (6丫2+ 刃Al k(t)三差模型的优点是消除了整周未知数的影响，但使观测方程的数量进一步减少。 误差方程为：式中:冈；(t)P

9、|2k(t2)l：(t1)1|叭2)-咖1)2o (t2 ) - 2o (t1 )Lp1j(t2)-P1(t1)一八广小 k(t)一1 2o(t)-3k(t)”1 上述三种模型的优点：1）消除或减弱一些具有系统性误差的影响，如卫星轨道误差、钟差和大气折射误差等；2）减少平差计算中未知数的个数。缺点：1）原始独立观测量通过求差将引起差分量之间的相关性； 单差观测量不相关（数学不相关，但物理上相关） ；双差、三差观测量相关。2）平差计算中，差分法将使观测方程数明显减少；3）在一个时间段的观测中， 为了组成观测量的差分， 通常应选择一个参考观测站和一颗参 考卫星。如果某一历元，对参考站或参考卫星的观

10、测量无法采用，将使观测量的差分产 生困难。参加观测的接收机数量越多，情况越复杂，此时将不可避免地损失一些观测数 据。因此，应用原始观测量的非差分模型，进行高精度定位研究，也日益受到重视。6.2 动态相对定位（差分 GPS）GPS测量误差的空间相关性（除多路径效应），定位结果也有一定的空间相关性。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，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，即为 DGPS。差分GPS可分为：单站GPS的差分、局部区域 GPS差分、广域差分。6.2.1单站GPS的差分根据差分

11、GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即:位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数， 由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改 正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。1.位置差分原理这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。 由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在一个差值。基准站利用数据链将此改正数

12、发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道 误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同 一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。2伪距差分原理伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技 术。国际海事无线电委员会推荐的RTCMSC-104也采用了这种技术。在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差 的测量值加以比较。利用一个a -3滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星

13、的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正 后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着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。用户和基准站之间的距 离对精度有决定性影响。基准站R测得至GPS卫星j的伪距为：= P/ +C(d - d )+dP/ +卵丄 +阳2=( 6-4 )其中p/j为基准站和第j颗GPS卫星之间的真实距离；d。是GPS卫星星历误差所引起的距离偏差；d r为接收机时钟相对于 GPS时间系统的偏差； d *是第j颗GPS卫星时钟 相对于GP

14、S时间系统的偏差；d訂为电离层时延所引起的距离偏差；d劈是对流层时延所引起的距离偏差；c为电磁波的传播速度。Qj根据基准站的已知坐标和 GPS卫星星历，可以精确算得真实距离 p/j，而伪距r是用基准 站接收机测得的，则伪距的改正值Zrj = 丁 c d - d sj d 厂:蔦r( 6 5)在基准接收机伪距测量的同时，动态接收机也对第j颗GPS卫星进行伪距测量，动态接收机所测得的伪距Prj -C(dS - djj )-dPrj -$Pir -$P2r( 6 6)如果基准站所测得的伪距改正值适时地发送给动态用户，并改正动态接收机所测得 的伪距，亦即k * 叮二匚 C(d k -d(d 订 - d

15、 J+(甲；-屮学)+(P2k -BPr)( 6 7)当动态用户远离基准站在 1000km以内时，则有1k三r j1rJ.j2kJ. : j2r故（6-7 ）式变为:P； +AP； = Pk +c(dk -dq)(6 - 8)2 、 2 、 2 2二 X-XkYj -Ykzj Zkdr其中 dr是基准/动态接收机的钟差之差所引起的距离偏差：dr = c d k - d r( 6 9)如果基准/动态接收机各观测了 4颗GPS卫星，则按(6-8)列出4个方程式，可解出4 个未知数(Xk , Yk , Zk , dr)。3载波相位差分原理载波相位差分技术又称为 RTK技术(realtimekinem

16、atics ),是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。 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：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，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。后者将基准 站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。J KGFSRTKiftlJ量示意

17、图由载波相位观测方程得出动态差分方程:假定动态用户的初始位置时已知的，则上式中的便等于零。若令式(6-10)的左边各项等于，且式(6-10)两边乘以(C/?),则变成：(6-11)当动态用户和基准站同时观测了4颗相同的GPS卫星时，则可得到三个值，从而按上式列出三个方程式。因为光速c和载波频率f是已知的，卫星的轨道位置（ Xj,Yj,Zj ）和（）可以按第四章的方法算得，故可按三个方程式解算出在t时刻动态用户位置估值（）的改正数（） ，从而实现了动态载波相位测量的目的。当动态用户和基准站各用一台双频接收机进行载波相位测量时，低则可有效地提高 动态定位的实时位置精度。在此情况下，参照式（6-10

18、）和式（6-11），则知载波L1和L2的剩余相位观测值为：（ 6-12）式中R为与频率无关的固定偏差。经过电离层时延改正后的剩余相位为：（ 6-13 ）根据式（6-11）的解算方法， 即可由上式算出载波相位双频观测后的动态用户位置估 值的改正数。6.2.2局部区域GPS差分系统局域差分（LADGPS ）是在局部区域内布设一个 GPS差分网，网内由若干个差分 GPS基准 站组成，通常还包含至少 1个监控站。处于该局域内的用户可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。它的作用距离一般在200300km内，如我国沿海建设的信标差分网。局域差分GPS技术通常采用加权平均法或最小方差法

19、对来自多个基准站的改正信息 进行平差，求出自己的坐标改正数或距离改正数。6.2.3广域差分广域差分（WideAreaDGPS,WADGPS）技术的基本思想是对 GPS观测量的误差源加以 区分， 并对每一个误差源分别加以 模型化 ，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正 值（差分改正值），通过数据通讯链传输给用户，对用户GPS接收机的观测误差加以改正，以达到削弱这些误差源的影响，改善用户GPS定位精度的目的。广域差分主要模型化以下三类 GPS定位的误差源：星历误差、大气延时误差、卫星钟广域差分GPS系统的工作流程：1） 在已知的多个监测站上，跟踪观测GPS卫星的伪距、相位等信息；2）监测站将所接

20、受的信息全部传输到中心站；3）中心站计算出三项误差改正；4）将这些误差改正用数据通讯链传输给用户；5）用户根据这些误差改正自己观测到的伪距、相位、星历等信息，计算出高精度结果。 广域差分GPS系统的特点：1）用户的定位精度对空间距离的敏感程度比较小；2)投资少，经济效益好；3) 定位精度较高，且分布均匀；4) 可扩展性好；5) 技术复杂，维护费用高；可靠性及安全性稍差。广域差分GPS(Wide Area Differential GPS)主要是以应对美国军方实施的有意降低GPS民用精度的选择可用性(SA)政策为背景的一种大范围差分GPS技术。近年来，广域差分GPS技术已发展成为 GPS的主要应

21、用之一，如美国联邦航空局 (FAA)的广域增强系统 (WAAS) 、欧洲地球静止卫星导航重叠服务 (EGNOS) 、日本的多功能卫星增强系统 (MSAS)， 以及一些经营性公司等建立了不同形式的广域差分GPS系统。广域差分GPS是利用分布在服务区内的参考站 (网)监测全部可见GPS卫星,将监测数 据通过通讯链传送至主站 ，主站用收集的数据计算出差分改正数和完好性信息，经格式编排后用通讯链路发播给服务区内的用户。 用户用接收到的广域差分数据改进 GPS导航定位 的精度。广域差分GPS技术的实质是把伪距误差分离为卫星星历误差、卫星钟差和电离层误差,并产生相应的改正数。用户利用广域差分改正数改正GP

22、S伪距误差，以提高导航定位的精度。广域差分GPS与局部差分GPS相比具有精度均匀、覆盖面广等技术特点。广域差分 GPS采用了误差分离技术，把伪距误差中与空间位置相关性最大的电离层延迟分离出来并 实时传送给用户。定位精度与用户到参考站的距离无关，克服了局部差分GPS中用户定位精度随用户到参考站的距离增大而衰减的缺点。广域差分GPS系统主站至用户的链路采用卫星广播的形式 ，覆盖面广并可向沙漠、 海上的用户提供服务 ，因而具有重要的军事和经济 价值。广域差分GPS系统通常由参考站、主站、数据通讯链和用户设备组成。参考站参考站的主要功能是跟踪视野内的GPS卫星,将经预处理的数据通过数据链传送到主站。参

23、考站配备23台双频GPS接收机、数据处理设备和通讯设备。参考站的数量和 分布与广域差分GPS系统的服务范围及精度有关，覆盖我国这样区域的广域差分GPS系统约需要建立 25 个参考站。主站 主站的功能是接收参考站传送来的数据 ，对数据进行分析处理 ，产生系统输出数据。 主站配置实时高性能数据处理设备和通讯设备。数据通讯链 数据通讯链是广域差分 GPS系统的关键成分。有参考站至主站、主站至用户 两种数据传输链路。参考站到主站的链路主要由卫星通信、电话和有线网等构成。为保证系统的可用性通常需要配置两路以上通讯链路。主站至用户的链路在服务范围较大时多采用卫星广播 的形式构成 ,服务范围较小时可以用 F

24、M 、无线电指向标等进行广播。用户设备用户设备的功能是接收广域差分GPS系统广播的差分改正数和完好性信息，以通用的格式(如RTCM104)输出给具有差分功能的 GPS接收机。用户利用广域差分改正数和 GPS数据进行导航与定位。6.2.4多基站RTK技术CorsRTKCORS利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统(ContinuousOperational Reference System ，缩写为 CORS)。CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用 户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体， 形成专用网络。VRS是一个CORS站运营的模式， VRS是VirtualReferenceStation的缩写，直接译为虚拟参考站。该项技术是由美国的天宝公司研制。首先在一定区域内架设一定数量的基准 站，基站接收卫星信号，然后将信息传送至信息处理中心，移动站先将接收机的位置信 息发送到数据处理中心，数据处理中心会根据移动站的位置，选择附近几个位置比较好 的基准站信息， “虚拟 ”出一个参考站，然后，将虚拟出的参考站改正数据播发给移动站， 这个虚拟参考站的位置通常是在移动站周围5千米范围内，但是实际情况中，一般是几米到几十米之内，通过这项技术所获得的数据误差就减小了很多。