【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 差改正數(shù)，而且可以將各種誤差的影響分離出來(lái)，向用戶提供更精確的誤差參數(shù)，從而用于建立各種誤差改正模型。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)的通信方式也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從以前的無(wú)線電臺(tái)變成了如今的Internet網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星通訊，信號(hào)的強(qiáng)度和覆蓋范圍也因此都得到了大幅度的改善。從工作系統(tǒng)的復(fù)雜程度上來(lái)看，差分GPS系統(tǒng)從單一的但基準(zhǔn)站模式逐步發(fā)展成為具有多基準(zhǔn)站的局域差分GPS和廣域差分GPS?；驹聿罘諫PS工作的基本原理是依據(jù)地面參考站與流動(dòng)站之間的空間相關(guān)性而建立的。GPS衛(wèi)星分布在距離地面約兩萬(wàn)公里的太空，而地面參考站距流動(dòng)站之間的距離為幾十公里到幾百公里之間，這個(gè)距離相對(duì)于星站距離可以忽略不計(jì)。因此，我們認(rèn)為參考站與流動(dòng)站周圍的空間環(huán)境對(duì)兩個(gè)接收機(jī)導(dǎo)航定位的影響是等價(jià)的。差分GPS系統(tǒng)主要由四部分組成，即GPS衛(wèi)星、參考站、流動(dòng)站和通訊設(shè)備。工作的流程一般是：先在具有高精度和可靠性的已知點(diǎn)上架設(shè)GPS接收機(jī)作為參考站，參考站周圍應(yīng)該視野開闊，觀測(cè)條件好，在待測(cè)點(diǎn)上架設(shè)流動(dòng)站，參考站和流動(dòng)站同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星。參考站的接收機(jī)在捕捉到衛(wèi)星信號(hào)之后便開始進(jìn)行自身位置解算，然后將解算結(jié)果與已知坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，求出誤差值，然后根據(jù)坐標(biāo)誤差反求出每顆衛(wèi)星的定位誤差。由于參考站GPS接收機(jī)無(wú)法知道流動(dòng)站接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星數(shù)量，因此參考站接收機(jī)會(huì)鎖定視野中的所有衛(wèi)星，并計(jì)算出每顆衛(wèi)星的定位誤差，然后按標(biāo)準(zhǔn)格式編制成電碼，由通訊鏈路發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站接受到電碼后，根據(jù)自身測(cè)站所觀測(cè)到的衛(wèi)星進(jìn)行誤差改正，以獲得精確的定位結(jié)果。 差分GPS按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分成許多類型，例如：按照用戶對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間不同可以分為實(shí)時(shí)差分GPS和事后差分GPS。按照差分GPS系統(tǒng)參考站的數(shù)量及覆蓋范圍可分為但基準(zhǔn)站差分GPS、多基準(zhǔn)站局域差分GPS和廣域差分GPS。按照差分GPS的觀測(cè)值可分為位置差分、偽距差分和載波相位差分。結(jié)合本課題研究的方向，下面將從差分GPS改正信號(hào)的角度出發(fā)介紹位置差分、偽距差分和載波相位差分的原理。位置差分位置差分的基本原理是：使用基準(zhǔn)站的位置改正數(shù)去修正流動(dòng)站的位置計(jì)算值，以求得比較精確的流動(dòng)站位置坐標(biāo)。由于相對(duì)定位中基準(zhǔn)站的坐標(biāo)值預(yù)先采用大地測(cè)量、天文測(cè)量或GPS靜態(tài)定位等方法精密測(cè)定，視之為已知值，設(shè)其精密坐標(biāo)值為。而在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)利用測(cè)碼偽距絕對(duì)定位法測(cè)出的基準(zhǔn)站坐標(biāo)為，該坐標(biāo)值中包含衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘誤差、大氣延遲誤差、多路徑效應(yīng)誤差及其他誤差。則可按照下式21計(jì)算基準(zhǔn)站的位置改正數(shù)： 基準(zhǔn)站采用數(shù)據(jù)鏈將這些改正數(shù)發(fā)送出去，而流動(dòng)站用戶接收機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)接收這些改正數(shù)，并在自身位置解算時(shí)加以改正。設(shè)流動(dòng)站通過(guò)用戶接收機(jī)利用自身觀測(cè)的數(shù)據(jù)采用測(cè)碼偽距絕對(duì)定位法測(cè)定出其位置坐標(biāo)為，則可按照下式22計(jì)算流動(dòng)站的較精確坐標(biāo)： 由于動(dòng)態(tài)用戶和GPS衛(wèi)星相對(duì)于協(xié)議地球坐標(biāo)系存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，若進(jìn)一步考慮用戶接收機(jī)改正數(shù)的瞬時(shí)變化，則有下式23： 式中，為校正的有效時(shí)刻。位置差分的計(jì)算方法簡(jiǎn)單，只需要在解算的坐標(biāo)中加進(jìn)改正數(shù)即可，這對(duì)GPS接收機(jī)的要求不高，適用于各種型號(hào)的接收機(jī)。但是，位置差分要求流動(dòng)站用戶接收機(jī)和基準(zhǔn)站接收機(jī)能同時(shí)觀測(cè)同一組衛(wèi)星，這些只有在近距離才可以做到，故位置差分只適用于100km以內(nèi)。偽距差分偽距差分的基本原理：利用基準(zhǔn)站的偽距改正數(shù)，傳送給流動(dòng)站用戶，去修正流動(dòng)站的偽距觀測(cè)量，從而消除或減弱公共誤差的影響，以求得比較精確的流動(dòng)站位置坐標(biāo)。設(shè)基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)為。差分定位時(shí)，基準(zhǔn)站的GPS接收機(jī)，根據(jù)導(dǎo)航電文中的星歷參數(shù)，計(jì)算其觀測(cè)到的全部GPS衛(wèi)星在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，從而由星站的坐標(biāo)值可以反求出每一觀測(cè)時(shí)刻，由基準(zhǔn)站至GPS衛(wèi)星的真距離，如24所示： 另外，基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)利用測(cè)碼偽距法可以測(cè)量星站之間的偽距，其中包含各種誤差源的影響。由觀測(cè)偽距和計(jì)算的真距離可以計(jì)算出偽距改正數(shù)。如25所示： 同時(shí)可以求出偽距改正數(shù)的變化率。如26所示： 通過(guò)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)鏈將和發(fā)送給流動(dòng)站接收機(jī)，流動(dòng)站接收機(jī)利用測(cè)碼偽距法測(cè)量出流動(dòng)站至衛(wèi)星的偽距，再加上數(shù)據(jù)鏈接收到的偽距改正數(shù)，便可以求出改正后的偽距。如27所示： 并按照下式計(jì)算流動(dòng)站坐標(biāo)，如28所示： 式中：為流動(dòng)站用戶接收機(jī)鐘相對(duì)于基準(zhǔn)站接收機(jī)鐘的鐘差；為流動(dòng)站用戶接收機(jī)噪聲。偽距差分時(shí)，只需要基準(zhǔn)站提供所有衛(wèi)星的偽距改正數(shù)，而用戶接收機(jī)觀測(cè)任意4顆衛(wèi)星，就可以完成定位。與位置差分相似，偽距差分能將兩測(cè)站的公共誤差抵消，但是，隨著用戶到基準(zhǔn)站距離的增加，系統(tǒng)誤差又將增大，這種誤差用任何差分法都無(wú)法消除，因此偽距差分的基線長(zhǎng)度也不宜過(guò)長(zhǎng)。載波相位差分位置差分和偽距差分能滿足米級(jí)定位精度，已經(jīng)廣泛用于導(dǎo)航、水下測(cè)量等領(lǐng)域。載波相位差分是指通過(guò)對(duì)兩測(cè)站的載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以獲得高精度的三維坐標(biāo)值，該技術(shù)又稱RTK技術(shù)。載波相位差分的基本原理是，由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)的將其載波相位觀測(cè)量及基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息一同發(fā)送到用戶站，并與用戶站的載波相位觀測(cè)量進(jìn)行差分處理，適時(shí)地給出用戶站的精確坐標(biāo)。載波相位差分定位的方法又可分為兩類：一種為測(cè)相偽距修正法，一種為載波相位求差法。前者同位置差分和偽距差分原理相同，是利用基準(zhǔn)站上的載波相位改正值去修正流動(dòng)站上的載波相位觀測(cè)值，從而提高定位精度。后者是通過(guò)將基準(zhǔn)站的載波相位值發(fā)送給用戶站接收機(jī)，用戶站接收機(jī)將自身的載波相位觀測(cè)值與基準(zhǔn)站載波相位值進(jìn)行求差運(yùn)算，形成單差、雙差和三差觀測(cè)值，同時(shí)消除衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差和整周模糊未知數(shù)等參數(shù)，減弱電離層延遲差、對(duì)流層誤差等相關(guān)誤差。然后采用與靜態(tài)相對(duì)定位類似的求解方法進(jìn)行求解流動(dòng)站坐標(biāo)。（1）測(cè)相偽距修正法測(cè)相偽距修正法的基本思想：基準(zhǔn)站接收機(jī)與衛(wèi)星之間的測(cè)相偽距改正數(shù)在基準(zhǔn)站解算出，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給流動(dòng)站用戶接收機(jī)，利用此偽距改正數(shù)去修正用戶接收機(jī)到觀測(cè)衛(wèi)星之間的測(cè)相偽距，獲得比較精確的用戶站至衛(wèi)星的偽距，再采用它計(jì)算用戶站的位置。在基準(zhǔn)站觀測(cè)衛(wèi)星，則由衛(wèi)星坐標(biāo)和基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)反算出基準(zhǔn)站至該衛(wèi)星的真距離。如29所示：式中：（）為衛(wèi)星的坐標(biāo)，可利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷精確的計(jì)算出；（）為基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)值，是已知參數(shù)。基準(zhǔn)站與衛(wèi)星之間的測(cè)相偽距觀測(cè)值。如210所示： 式中：和分別為基準(zhǔn)站站鐘鐘差和衛(wèi)星的星鐘差；衛(wèi)星歷誤差（包括SA政策影響）；和分別為電離層和對(duì)流層延遲影響；和分別為多路經(jīng)效應(yīng)和基準(zhǔn)站接收機(jī)噪聲。由基準(zhǔn)站和觀測(cè)衛(wèi)星的真距離和測(cè)相偽距觀測(cè)值，可以求出星站之間的偽距改正數(shù)。如211所示： 另一方面，流動(dòng)站上的用戶接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星可得到測(cè)相偽距觀測(cè)值。如212所示： 式中各項(xiàng)的含義與(210）相同。在用戶接收機(jī)接收到由基準(zhǔn)站發(fā)送過(guò)來(lái)的偽距改正數(shù)時(shí)，可用它對(duì)用戶接收機(jī)的測(cè)相偽距觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，得到新的比較精確的測(cè)相偽距觀測(cè)值。如213所示： 當(dāng)用戶站距基準(zhǔn)站距離較小時(shí)（100km），則可以認(rèn)為在觀測(cè)方程中，兩觀測(cè)站對(duì)于同一顆衛(wèi)星的星歷誤差、大氣層延遲誤差的影響近似相等。同時(shí)用戶機(jī)與基準(zhǔn)站的接收機(jī)為同型號(hào)機(jī)時(shí)，測(cè)量噪聲基本相近。于是消去相關(guān)誤差，（213）可得式214： 式中：為各項(xiàng)殘差之和。根據(jù)前述分析，歷元時(shí)刻載波相位觀測(cè)量。如215所示： 兩測(cè)站、同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星，對(duì)兩測(cè)站的測(cè)相偽距觀測(cè)值取單差，可得式216： 差分?jǐn)?shù)據(jù)處理是在用戶站進(jìn)行的。上式左端的由基準(zhǔn)站計(jì)算出衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的精確幾何距離代替，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給用戶機(jī)；同時(shí)，流動(dòng)站的新測(cè)相偽距觀測(cè)量，通過(guò)用戶機(jī)的測(cè)相偽距觀測(cè)量和基準(zhǔn)站發(fā)送過(guò)來(lái)的偽距修正數(shù)來(lái)計(jì)算。也就是說(shuō)，將（214）式帶入（215）中，同時(shí)用代替，則可得式217：上式中假設(shè)在初始?xì)v元已將基準(zhǔn)站和用戶站相對(duì)于衛(wèi)星的整周模糊度、計(jì)算出來(lái)了，則在隨后的歷元中的整周數(shù)、以及測(cè)相的小數(shù)部分、都是可觀測(cè)量。因此，上式中只有4個(gè)未知數(shù)：用戶站坐標(biāo)和殘差，這樣只需要同時(shí)觀測(cè)4顆衛(wèi)星，則可建立4個(gè)觀測(cè)方程，解算出用戶站的三維坐標(biāo)。從上面分析可見，解算上述方程的關(guān)鍵問(wèn)題是如何快速求解整周模糊度。近年來(lái)許多科研人員致力于這方面的研究和開發(fā)工作，并提出了一些有效的解決方法，如FARA法、消去法等，使RTK技術(shù)在精密導(dǎo)航定位中展現(xiàn)了良好的前景。（2）載波相位求差法載波相位求差法的基本思想是：基準(zhǔn)站不再計(jì)算測(cè)相偽距修正數(shù)，而是將其觀測(cè)的載波相位觀測(cè)值由數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)發(fā)送給用戶站接收機(jī)，然后由用戶機(jī)進(jìn)行載波相位求差，再解算出用戶的位置。假設(shè)在基準(zhǔn)站和用戶站上的GPS接收機(jī)同時(shí)于歷元和觀測(cè)衛(wèi)星和，基準(zhǔn)站對(duì)兩顆衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)量（共4個(gè)），由數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)發(fā)送給用戶站。于是用戶站就可獲得8個(gè)載波相位觀測(cè)量方程。如式218所示：對(duì)兩接收機(jī)、在同一歷元觀測(cè)同一顆衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)量相減，可得到4個(gè)單差方程。如式219所示：?jiǎn)尾罘匠讨幸呀?jīng)消去了衛(wèi)星鐘鐘差，并且大氣層延遲影響的單差是微小項(xiàng)，略去。將兩接收機(jī)、同時(shí)觀測(cè)兩顆衛(wèi)星、的載波相位觀測(cè)量的站際單差相減，可得到2個(gè)雙差方程。如式220所示： 雙差方程中消去了基準(zhǔn)站和用戶站的GPS接收機(jī)鐘差、。雙差方程右端的初始整周模糊度、通過(guò)初始化過(guò)程進(jìn)行解算。因此，在RTK定位過(guò)程中，要求用戶所在的實(shí)時(shí)位置，因此它的計(jì)算程序是：Ⅰ）用戶GPS接收機(jī)靜態(tài)觀測(cè)若干歷元，并接收基準(zhǔn)站發(fā)送的載波相位觀測(cè)量，采用靜態(tài)觀測(cè)程序，求出整周模糊度，并確認(rèn)此整周模糊度正確無(wú)誤。這一過(guò)程稱為初始化。Ⅱ）將確認(rèn)的整周模糊度代入雙差方程（220）。由于基準(zhǔn)站的位置坐標(biāo)是精確測(cè)定的已知值，兩顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)可由星歷參數(shù)計(jì)算出來(lái)，故雙差方程中只包含用戶在協(xié)議地球系中的位置坐標(biāo)為未知數(shù)，此時(shí)只需要觀測(cè)3顆衛(wèi)星就可以進(jìn)行求解。由上分析可見，測(cè)相偽距修正法與偽距差分法原理相同，是準(zhǔn)RTK技術(shù)；載波相位求差法，通過(guò)對(duì)觀測(cè)方程進(jìn)行求差來(lái)解算用戶站的實(shí)時(shí)位置，才是真正的RTK技術(shù)。上述所討論的單基準(zhǔn)站差分GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法簡(jiǎn)單，技術(shù)上較為成熟，主要適用于小范圍的差分定位工作。對(duì)于較大范圍的區(qū)域，則應(yīng)用局部區(qū)域差分技術(shù)，對(duì)于一國(guó)或幾個(gè)國(guó)家范圍的廣大區(qū)域，應(yīng)用廣域差分技術(shù)。. 常規(guī)RTKRTK(Real Time Kinematic)是一種利用載波相位差分技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的技術(shù)。該技術(shù)利用基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間誤差的空間相關(guān)性對(duì)流動(dòng)站的測(cè)量誤差進(jìn)行修正，從而得到一個(gè)精度比較高的定位結(jié)果。基準(zhǔn)站的GPS接收機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)接收衛(wèi)星信號(hào)，并根據(jù)測(cè)站的已知坐標(biāo)實(shí)時(shí)求解差分改正數(shù)。差分信息將通過(guò)通訊鏈路傳輸?shù)搅鲃?dòng)站，過(guò)流動(dòng)站接收機(jī)軟件，可以實(shí)時(shí)解算流動(dòng)站坐標(biāo)，也可以根據(jù)需要進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。目前，RTK的測(cè)量精度已經(jīng)可以達(dá)到厘米級(jí)的精度，能滿足測(cè)圖、放樣等工程的需要。RTK系統(tǒng)的組成主要由參考站、流動(dòng)站、通訊鏈路和GPS衛(wèi)星星座四部分組成。接收機(jī)部分，至少需要兩臺(tái)接收機(jī)，一臺(tái)做為流動(dòng)站，一臺(tái)做為參考站。參考站的接收機(jī)必須架設(shè)在高精度的已知點(diǎn)上，同時(shí)已知點(diǎn)周圍要有良好的對(duì)空觀測(cè)條件，這樣才能保證參考站觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量和質(zhì)量有所保障。參考站通過(guò)觀測(cè)衛(wèi)星并計(jì)算測(cè)站上的差分信息，隨后便將改正信息以標(biāo)準(zhǔn)的電文格式（RTCM CS104)通過(guò)通訊鏈路發(fā)送到流動(dòng)站。數(shù)據(jù)通訊鏈路主要包括信號(hào)調(diào)制解調(diào)器和無(wú)線電臺(tái)兩部分組成。流動(dòng)站接收機(jī)必須具有實(shí)時(shí)處理軟件設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)位置的解算、成果的儲(chǔ)存和管理等功能。RTK定位成果的精度和可靠性很大程度上取決于解算軟件的質(zhì)量和性能，因此RTK解算軟件必須具備以下功能：○ 能快速地確定整周未知數(shù)；○ 能進(jìn)行基線向量解算；○ 能對(duì)解算成果進(jìn)行精度評(píng)定和可靠性分析；○ 能進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。RTK的工作原理實(shí)質(zhì)就是載波相位差分技術(shù)，見上文載波相位差分原理部分，這里不再贅述。利用RTK技術(shù)用戶可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位結(jié)果，而且定位的效率非常高，測(cè)一個(gè)點(diǎn)僅需要幾秒鐘就可以。與傳統(tǒng)的全站儀或者靜態(tài)GPS定位相比，RTK技術(shù)不僅提高了定位的效率，同時(shí)也保證了定位的精度，降低了內(nèi)、外業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)量，從而降低了勞動(dòng)成本。因此被廣泛地應(yīng)用于圖根控制測(cè)量、施工放樣、地形測(cè)量、工程測(cè)量等領(lǐng)域。 RTK技術(shù)雖然有眾多的有點(diǎn)，但是仍存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：由于常規(guī)RTK技術(shù)利用的是參考站與流動(dòng)站之間誤差的空間相關(guān)性來(lái)建立的。所以RTK定位的精度受參考站與流動(dòng)站之間的距離影響較大。隨著距離的增加，誤差空間的相關(guān)性迅速降低，定位的誤差將會(huì)突然增大，甚至無(wú)法固定整周未知數(shù)，只能利用三差解進(jìn)行定位。因此，RTK的工作半徑只能在15公里之內(nèi)。由于RTK定位過(guò)程中，差分改正信息僅依靠一個(gè)參考站提供，所以存在很大的偶然性，定位結(jié)果的可靠性不強(qiáng)。. 網(wǎng)絡(luò)RTK網(wǎng)絡(luò)RTK是在常規(guī)RTK的基礎(chǔ)之上而提出來(lái)的一種增強(qiáng)系統(tǒng)。它主要是針對(duì)常規(guī)RTK作業(yè)半徑小、可靠性差的兩個(gè)不足之處進(jìn)行加強(qiáng)的。網(wǎng)絡(luò)RTK是在一個(gè)范圍較大的區(qū)域均勻地布設(shè)若干個(gè)基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站之間的距離擴(kuò)大到50～100公里。這種情況下，流動(dòng)站局基準(zhǔn)站之間的距離如果大于15公里時(shí)，誤差的空間相關(guān)性將會(huì)發(fā)生突變，從而導(dǎo)致定位的精度無(wú)法滿足要求，為了提高誤差的空間相關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)RTK采用流動(dòng)站周圍的數(shù)個(gè)基站的觀測(cè)成果聯(lián)合起來(lái)求解各個(gè)基站之間誤差參數(shù)模型，然后用戶根據(jù)測(cè)站的近似坐標(biāo)在模型中內(nèi)插出流動(dòng)站的誤差參數(shù)。這樣，即使基準(zhǔn)站之間的距離擴(kuò)大到5