【正文】 第六章 GPS差分定位技術(shù)基本原理 概述① ? 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(yīng)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(guān)閉前后 GPS絕對定位精度的變化 概述② ? 差分 GPS（ DGPS – Differential GPS） ?利用設(shè)置在坐標(biāo)已知的點（基準(zhǔn)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(nèi)其它 GPS接收機（流動站）測量定位精度的方法 ? RTCM104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(yīng) ? 對定位精度的影響 。通常大于等效距離誤差定位精度1PD O PPD O P??PDOP： Position Dilution of Precision ,位置精度衰減因子 差分定位是利用兩臺 GPS接收機，分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的 GPS衛(wèi)星，以確定基線端點在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對位置或基線向量。相對定位方法一般可推廣到多臺接收機安置在若干條基線的端點，通過同步觀測 GPS衛(wèi)星，以確定多條基線向量。 T1 T2 s1 s2 s3 s4 差分 GPS的基本原理 ? 誤差的空間相關(guān)性 ?以上各類誤差中除多路徑效應(yīng)均具有較強的空間相關(guān)性，從而定位結(jié)果也有一定的空間相關(guān)性。 ? 差分 GPS的基本原理 ?利用基準(zhǔn)站（設(shè)在坐標(biāo)精確已知的點上）測定具有空間相關(guān)性的誤差或其對測量定位結(jié)果的影響，供流動站改正其觀測值或定位結(jié)果 ? 差分改正數(shù)的類型 ?距離改正數(shù)：利用基準(zhǔn)站坐標(biāo)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(biāo)改正數(shù)）改正數(shù)：基準(zhǔn)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(biāo)，測站的已知坐標(biāo)與觀測坐標(biāo)之差即為位置的改正數(shù)。 差分 GPS對測量定位精度的改進 DGPS( 單位： m) 間距（ km ） 誤差類型 GPS ( 單位： m) 0 100 300 500 衛(wèi)星鐘誤差 0 0 0 0 衛(wèi)星星歷誤差 0 SA ：衛(wèi)星鐘頻抖動 24 SA ：人為引入的星歷誤差 24 0 大氣延遲誤差：電離層延遲 0 大氣延遲誤差：對流層延遲 0 基準(zhǔn)站接收機誤差噪 聲和多路徑誤差 基準(zhǔn)站接收機誤差：測量誤差 DGPS 誤差（ ms) 用戶接收機誤差 用戶等效距離誤差（ rms) 導(dǎo)航精度（ 2drms ） HDOP = 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(biāo)差分） ? 距離差分 ? 根據(jù)工作原理和差分模型 ? 局域差分（ LADGPS – Local Area DGPS） ? 單基準(zhǔn)站差分 ? 多基準(zhǔn)站差分 ? 廣域差分（ WADGPS – Wide Area DGPS） 位置差分 距離差分 距離改正 坐標(biāo)改正 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(xué)模型簡單 ?差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少 ?基準(zhǔn)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(xué)模型較復(fù)雜 ?差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較多 ?基準(zhǔn)站與流動站不要求觀測完全相同的一組衛(wèi)星 單基準(zhǔn)站局域差分 ? 結(jié)構(gòu) ?基準(zhǔn)站（一個）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶 ? 數(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)、模型簡單 ?缺點：差分范圍小，精度隨距基準(zhǔn)站距離的增加而下降，可靠性低 的變率。為距離改正數(shù)為距離改正數(shù)；dtdVVtdtdVtVttVii ?????? )()(基準(zhǔn)站 數(shù)據(jù)通訊鏈 流動站（用戶） 多基準(zhǔn)站局域差分 ? 結(jié)構(gòu) ?基準(zhǔn)站（多個）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶 ? 數(shù)學(xué)模型（差分改正數(shù)的計算方法） ?加權(quán)平均 ?偏導(dǎo)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(zhǔn)站差分系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 廣域差分 ? 結(jié)構(gòu) ?基準(zhǔn)站（多個）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶 ? 數(shù)學(xué)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(guān)、差分范圍大 ?缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)費用高 靜態(tài)差分 ? 安置在基線端點的接收機固定不動，通過連續(xù)觀測，取得充分的多余觀測數(shù)據(jù)，改善定位精度。 ? 靜態(tài)相對定位一般均采用載波相位觀測值（或測相偽距）為基本觀 測量 ，對中等長度的基線（ 100500km），相對定位精度可達 106107甚至更好。 ? 在載波相位觀測的數(shù)據(jù)處理中，為可靠地確定載波相位整周未知數(shù)， 靜態(tài)相對定位一般需要較長的觀測時間（ ） ? 如何縮短觀測時間，是研究和關(guān)心的熱點。 ? 縮短靜態(tài)相對定位的觀測時間關(guān)鍵在于快速而可靠地確定整周未知數(shù)。 ? 理論和實踐表明，在載波相位觀測中，如果整周未知數(shù)已經(jīng)確定， 則差分定位精度不會隨觀測時間的延長而明顯提高。 ? 準(zhǔn)動態(tài)差分定位 ? 接收機在移動過程中必須保持對觀測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤 ? 在高精度靜態(tài)差分定位中，當(dāng)僅有兩臺接收機時，一般應(yīng)考慮將單獨測定的基線向量聯(lián)結(jié)成向量網(wǎng)（三角網(wǎng)或?qū)Ь€網(wǎng)），以增強幾何強度，改善定位精度。 ? 當(dāng)有多臺接收機時，應(yīng)采用網(wǎng)定位方式，可檢核和控制多種誤差對觀測量的影響，明顯提高定位精度。 衛(wèi)星 動態(tài)差分定位 ? 用一臺接收機安置在基準(zhǔn)站上固定不動，另一臺接收機安置在運動載體上，兩臺接收機同步觀測相同衛(wèi)星，以確定運動點相對基準(zhǔn)站的實時位置。 ? 動態(tài)差分定位根據(jù)采用的觀測量不同，分為 : ? 以測碼偽距為觀測量的動態(tài)相對定位 ? 目前實時定位精度為米級 ? 以測相偽距為觀測量的動態(tài)相對定位 ? 以預(yù)先初始化或動態(tài)解算載波相位整周未知數(shù)為基礎(chǔ) ? 目前在較小范圍內(nèi)（小于 20km），定位精度達 12cm。 ? 以相對定位原理為基礎(chǔ)的實時差分 GPS可有效減弱衛(wèi)星軌道誤差、鐘差、大氣折射誤差以及 SA政策影響，定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于測碼偽距動態(tài)絕對定位。 ? 動態(tài)差分定位中，根據(jù) 數(shù)據(jù)處理方式不同，可分為 : ? 實時處理 ? 要求在觀測過程中實時地獲得定位結(jié)果 ? 無需存儲觀測數(shù)據(jù) ? 但在流動站和基準(zhǔn)站之間必須實時地傳輸觀測數(shù)據(jù)或觀測量的修正數(shù)據(jù) ? 這種處理方式對運動目標(biāo)的導(dǎo)航、監(jiān)測和管理具有重要意義 ? 后處理 ? 在觀測過程結(jié)束后，通過數(shù)據(jù)處理而獲得定位結(jié)果 ? 可以對觀測數(shù)據(jù)進行詳細(xì)分析，易于發(fā)現(xiàn)粗差，不需要實時傳輸數(shù)據(jù) ? 但需要存儲觀測數(shù)據(jù)。 ? 主要應(yīng)用于基線較長，不需實時獲得定位結(jié)果的測量工作 ? 由于建立和維持一個數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)（包括無線電信號的發(fā)射和接收設(shè)備），不僅技術(shù)復(fù)雜，而且花費較大，一般除非必須獲得實時定位結(jié)果外，均采用觀測數(shù)據(jù)的測后處理方式。 平差 ? 測量平差：依據(jù)某種最優(yōu)化準(zhǔn)則，由一系列帶有觀測誤差的測量數(shù)據(jù)，求定未知量的最佳估值及精度的理論和方法 ?觀測誤差的存在使得測量平差必要 ?多余觀測的存在使測量平差成為可能 ? 經(jīng)典平差范疇： ?研究只帶有偶然誤差的觀測 ? 近代平差范疇： ?研究同時帶有偶然誤差、系統(tǒng)誤差、粗差的觀測 差分 GPS的新進展① ? 增強型系統(tǒng) ?特點 ? 偽衛(wèi)星技術(shù) ? 衛(wèi)星通訊技術(shù) ?類型 ? LAAS – Local Area Augmentation System ? 采用地基偽衛(wèi)星 ? WAAS – Wide Area Augmentation System ? 采用空基偽衛(wèi)星 ? 采用通訊衛(wèi)星發(fā)送差分改正數(shù) WAAS 差分 GPS的新進展② ? 網(wǎng)絡(luò) RTK（ RealTime Kinematic） ?作業(yè)模型類似 RTK ?原理 ? 利用基準(zhǔn)站網(wǎng)計算出用戶附近某點（虛擬參考站）各項誤差改正，再將它們加到利用虛擬參考站坐標(biāo)和衛(wèi)星坐標(biāo)所計算出的距離之上，得出虛擬參考站上的虛擬觀測值，將其發(fā)送給用戶，進行實時相對定位。 ?特點 ? 精度和可靠性高 167。 位置差分原理 設(shè)已知基準(zhǔn)站的精密坐標(biāo) (x0,y0,z0)，可求坐標(biāo)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(biāo)中消去了基準(zhǔn)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(zhǔn)站與用戶站相距 100km以內(nèi)的情況。 167。 偽距差分原理 ? 差分定位是相對定位的一種特殊應(yīng)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(nèi)，于一個或若干個已知點上設(shè)置 GPS接收機作為基準(zhǔn)站，連續(xù)跟蹤觀測視野內(nèi)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(nèi)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(zhǔn)站發(fā)來的偽距修正值，對相應(yīng)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(zhǔn)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?jǐn)?shù)據(jù)接口 ? 一個基準(zhǔn)站的控制距離約在 200～ 300km范圍。 1．偽距差分 偽距差分是目前用途最廣的一種差分技術(shù)。幾乎所有的商用差分 GPS接收機均采用這種技術(shù)。 已知基準(zhǔn)站精密坐標(biāo)和用星歷計算得到的某一時刻的衛(wèi)星坐標(biāo)，可計算衛(wèi)星到基準(zhǔn)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(biāo) 優(yōu)點： ? 偽距改正是在ＷＧＳ－８４坐標(biāo)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(nèi)能繼續(xù)精密定位。 ? 基準(zhǔn)站提供所有衛(wèi)星改正數(shù)，用戶只需接收４顆衛(wèi)星信號，結(jié)構(gòu)可簡