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(zhǔn)站已知精密坐標(biāo) 計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù) 并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將這一改正數(shù)發(fā)送 用戶不但接收GPS信號(hào) 同時(shí)也接收基準(zhǔn)站的改正數(shù) 并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正 以提高定位精度 分為單基站差分 多基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分和廣域差分 差分定位基本原理 基準(zhǔn)站 移動(dòng)目標(biāo) 修正量 概述 差分GPS產(chǎn)生的誘因 絕對(duì)定位精度不能滿足要求GPS絕對(duì)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(guó)的GPS政策對(duì)GPS絕對(duì)定位精度的影響 選擇可用性SA SA關(guān)閉前后GPS絕對(duì)定位精度的變化 概述 差分GPS DGPS DifferentialGPS 利用設(shè)置在坐標(biāo)已知的點(diǎn) 基準(zhǔn)站 上的GPS接收機(jī)測(cè)定GPS測(cè)量定位誤差 用以提高在一定范圍內(nèi)其它GPS接收機(jī) 流動(dòng)站 測(cè)量定位精度的方法RTCM 104格式 影響絕對(duì)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(duì)流層延遲 對(duì)流層延遲 多路徑效應(yīng)對(duì)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(guān)性以上各類誤差中除多路徑效應(yīng)均具有較強(qiáng)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(diǎn)上 測(cè)定具有空間相關(guān)性的誤差或其對(duì)測(cè)量定位結(jié)果的影響 供流動(dòng)站改正其觀測(cè)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(jì)算出站星間的計(jì)算距離 計(jì)算距離減去觀測(cè)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(jī)對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè) 確定出測(cè)站的觀測(cè)坐標(biāo) 測(cè)站的已知坐標(biāo)與觀測(cè)坐標(biāo)之差即為位置的改正數(shù) 差分GPS對(duì)測(cè)量定位精度的改進(jìn) 差分GPS的分類 根據(jù)時(shí)效性實(shí)時(shí)差分事后差分根據(jù)觀測(cè)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 LocalAreaDGPS 單基準(zhǔn)站差分多基準(zhǔn)站差分廣域差分 WADGPS WideAreaDGPS 位置差分 距離差分 距離改正 坐標(biāo)改正 位置差分 用戶接收到坐標(biāo)改正數(shù)對(duì)其計(jì)算得到的坐標(biāo)進(jìn)行改正 經(jīng)過坐標(biāo)改正后的用戶坐標(biāo)已經(jīng)消去了基準(zhǔn)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(jiǎn)單的差分方法 安置在已知精確坐標(biāo)基準(zhǔn)站GPS接收機(jī) 利用數(shù)據(jù)鏈將坐標(biāo)改正數(shù)發(fā)送給用戶 偽距差分 偽距差分時(shí)目前應(yīng)用最為廣泛的一種差分定位技術(shù) 通過在基準(zhǔn)站上利用已知坐標(biāo)求出站星的距離 并將其與含有誤差的測(cè)量距離比較 并將測(cè)距誤差傳輸給用戶 用戶用此來(lái)對(duì)測(cè)距進(jìn)行相應(yīng)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(duì)流層 電離層 因此應(yīng)考慮距離因素 位置差分和距離差分的特點(diǎn) 位置差分差分改正計(jì)算的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少基準(zhǔn)站與流動(dòng)站要求觀測(cè)完全相同的一組衛(wèi)星距離差分差分改正計(jì)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(dòng)站不要求觀測(cè)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(gè) 數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型 差分改正數(shù)的計(jì)算方法 提供距離改正和距離改正的變率特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu) 模型簡(jiǎn)單缺點(diǎn) 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 多基準(zhǔn)站局域差分 結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)站 多個(gè) 數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型 差分改正數(shù)的計(jì)算方法 加權(quán)平均偏導(dǎo)數(shù)法最小方差法特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 差分精度高 可靠性高 差分范圍增大缺點(diǎn) 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(gè) 數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型 差分改正數(shù)的計(jì)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(duì)各項(xiàng)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(duì)觀測(cè)值進(jìn)行改正特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 差分精度高 差分精度與距離無(wú)關(guān) 差分范圍大缺點(diǎn) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 建設(shè)費(fèi)用高 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(jī)接收后改正 顧及用戶位置改正的瞬時(shí)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(diǎn) 計(jì)算簡(jiǎn)單 適用各種GPS接收機(jī) 缺點(diǎn) 要求觀測(cè)同一組衛(wèi)星 近距離可做到 距離較長(zhǎng)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 偽距差分原理 差分定位是相對(duì)定位的一種特殊應(yīng)用 高精度相對(duì)定位采用的是載波相位測(cè)量定位 而差分定位則主要采用偽隨機(jī)碼偽距測(cè)量定位 其基本方法是 在定位區(qū)域內(nèi) 于一個(gè)或若干個(gè)已知點(diǎn)上設(shè)置GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站 連續(xù)跟蹤觀測(cè)視野內(nèi)所有可見的GPS衛(wèi)星偽距經(jīng)與已知距離比對(duì) 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(cè)區(qū)內(nèi)的所有待定點(diǎn)接收機(jī) 除跟蹤觀測(cè)GPS衛(wèi)星偽距外 同時(shí)還接收基準(zhǔn)站發(fā)來(lái)的偽距修正值 對(duì)相應(yīng)的GPS衛(wèi)星偽距進(jìn)行修正然后 用修正后的偽距進(jìn)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(cè)偽距大大消減衛(wèi)星星歷誤差 電離層和對(duì)流層延遲誤差及SA的影響 提高定位精度 實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)10 15m 事后處理的定位精度可達(dá)3 5m差分定位需要數(shù)據(jù)傳播路線 用戶接收機(jī)要有差分?jǐn)?shù)據(jù)接口一個(gè)基準(zhǔn)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(shù) 幾乎所有的商用差分GPS接收機(jī)均采用這種技術(shù) 已知基準(zhǔn)站精密坐標(biāo)和用星歷計(jì)算得到的某一時(shí)刻的衛(wèi)星坐標(biāo) 可計(jì)算衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離 根據(jù)測(cè)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(cè)方程計(jì)算用戶坐標(biāo) 優(yōu)點(diǎn) 偽距改正是在 坐標(biāo)上進(jìn)行的 得到的是直接改正數(shù) 所以可到達(dá)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 顆衛(wèi)星信號(hào) 結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單 缺點(diǎn) 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(zhǔn)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(zhǔn)站和用戶站間距離對(duì)偽距差分的精度有決定性影響 星歷提供的衛(wèi)星鐘與 時(shí)間不精確同步 衛(wèi)星實(shí)際位置和計(jì)算位置不一致兩地測(cè)量誤差始終有無(wú)法校正的剩余誤差 結(jié)論 用戶站和基準(zhǔn)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(guān)系 擴(kuò)展偽距差分 廣域差分 在一個(gè)廣闊的地區(qū)內(nèi)提供高精度的差分 服務(wù) 將若干基準(zhǔn)站和主站組成差分 網(wǎng) 主站接收各個(gè)監(jiān)測(cè)站差分 信號(hào) 組合后形成擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)的有效差分 改正電文 再把擴(kuò)展 改正信號(hào)發(fā)送出去給用戶接收機(jī) 擴(kuò)展偽距差分 廣域差分 廣域差分 的基本思想 對(duì) 觀測(cè)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(duì)流層模型和衛(wèi)星星歷誤差估算 包括衛(wèi)星鐘差改正 擴(kuò)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(kuò)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(shí)延誤差 電離層時(shí)延和對(duì)流層時(shí)延 廣域差分通過建立精密區(qū)域大氣時(shí)延模型 精確計(jì)算大氣時(shí)延量 改正模型衛(wèi)星鐘差誤差 廣域差分可計(jì)算出衛(wèi)星鐘各時(shí)刻的精密鐘表值 相位平滑偽距差分原理 偽距差分實(shí)際上是在測(cè)站之間求偽距觀測(cè)值的一次差 因而消除了兩偽距觀測(cè)值中所含有的共同的系統(tǒng)誤差 但是卻無(wú)法消除偽距觀測(cè)值中所含有的隨機(jī)誤差 從而限制了偽距差分定位的精度 載波相位測(cè)量的精度較測(cè)距碼偽距測(cè)量的精度高2個(gè)數(shù)量級(jí) 如果能用載波相位觀測(cè)值對(duì)偽距觀測(cè)值進(jìn)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(wú)法直接測(cè)得 因而難以直接利用載波觀測(cè)值 相位平滑偽距差分原理 雖然整周數(shù)無(wú)法獲得 但可由多普勒頻率計(jì)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(lái)輔助偽距差分定位 稱為載波多普勒計(jì)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(cè)值對(duì)偽距進(jìn)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(shí)時(shí)給定裁體的位置 精度為米級(jí) 滿足不了引航 水下測(cè)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(shù)已成功地用于各種作業(yè)中隨之而來(lái)的是更加精密的測(cè)量技術(shù) 載波相位差分技術(shù) 載波相位差分技術(shù)建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的 它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo) 并達(dá)到厘米級(jí)的高精度 載波相位差分原理 與偽距差分原理相同 由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量及站坐標(biāo)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(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位 并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理 能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果 實(shí)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(zhǔn)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(biāo) 為準(zhǔn)RTK技術(shù) 差分法 后者將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶進(jìn)行求差解算坐標(biāo) 為真正的RTK技術(shù) 載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù) RTK RealTimeKinematic GPS技術(shù) 實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài) RealTimeKinematic RTK 測(cè)量系統(tǒng) 是GPS測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng) 它是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新的突破 RTK測(cè)量技術(shù) 是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量技術(shù) RTK測(cè)量技術(shù)是準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)與AROTF算法和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的 它完全可以達(dá)到 精度 速度 實(shí)時(shí) 可用 等各方面的要求 RTK RealTimeKinametic 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分 系統(tǒng)構(gòu)成參考站 基準(zhǔn)站 流動(dòng)站數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用 數(shù)據(jù)鏈 1 概述差分GPS定位系統(tǒng)是由一個(gè)基準(zhǔn)站和多個(gè)用戶臺(tái)組成 基準(zhǔn)站與用戶臺(tái)之間的聯(lián)系 即由基準(zhǔn)站計(jì)算出的改正數(shù)發(fā)送到用戶臺(tái)的手段是靠數(shù)據(jù)鏈完成的 數(shù)據(jù)鏈由調(diào)制解調(diào)器和電臺(tái)組成 調(diào)制解調(diào)器是將改正數(shù)進(jìn)行編碼和調(diào)制 然后輸入到電臺(tái)上發(fā)射出去 用戶臺(tái)將其接收下來(lái) 并將數(shù)據(jù)解調(diào)后 送入GPS接收機(jī)進(jìn)行改正 電臺(tái)是將調(diào)制后的數(shù)據(jù)變成強(qiáng)大的電磁波輻射出去 能在作用范圍內(nèi)提供足夠的信號(hào)強(qiáng)度 使用戶臺(tái)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(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)射頻率和作用距離 將通信設(shè)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(jī)和調(diào)制解調(diào)器間通信一般采用它 3 調(diào)制解調(diào)器差分GPS數(shù)據(jù)鏈中常用的三種調(diào)制方式 FSK MSK和GMSK4 糾錯(cuò)編碼是提高數(shù)字傳輸可靠性的一項(xiàng)技術(shù) 是正確傳輸差分GPS改正信號(hào)的重要手段 避免錯(cuò)誤出現(xiàn)必須差錯(cuò)控制 其關(guān)鍵是糾錯(cuò)編碼 思想 一是譯碼糾錯(cuò) 二是出錯(cuò)反饋重發(fā)糾錯(cuò) 1 前向糾錯(cuò)FEC不需要反饋 適用于單向信道 譯碼設(shè)備復(fù)雜 2 檢錯(cuò)重傳ARQ冗余碼少 譯碼簡(jiǎn)單 需雙向信道 3 混合差錯(cuò)控制HEC避免F