衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)

衛(wèi)星導航系統(tǒng)GlobalNavigationSatelliteSystem哈爾濱工程大學衛(wèi)星導航系統(tǒng)課程組自動化學院第七章衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)本章內容安排概述基本差分算法位置差分偽距差分載波相位差分局域差分系統(tǒng)廣域差分系統(tǒng)廣域增強系統(tǒng)信標差分系統(tǒng)概述

衛(wèi)星導航的差分定位技術是顯著改善衛(wèi)星導航系統(tǒng)精度和完善性的一種技術，工作原理：

利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)的誤差隨時間變化緩慢，而且與距離和路徑強相關的特性，通過求差的方法，消除或大大減少公共誤差，從而提高定位精度。

差分系統(tǒng)基準站發(fā)送的信息方式：位置差分偽距差分相位差分相位平滑的偽距差分概述局域差分GPS系統(tǒng)（LADGPS）廣域差分GPS系統(tǒng)（WADGPD）廣域增強系統(tǒng)（WAAS）無線電信標差分GPS系統(tǒng)（RBN/DGPS）差分形式概述差分定位系統(tǒng)基準站用戶臺3改正信息用戶臺2用戶臺1數據鏈電臺基準站多個用戶臺數據鏈（調制解調器電臺）差分定位系統(tǒng)結構概述近程（小于100km）中程（30～800km）遠程（大于800km）差分定位系統(tǒng)的數據通信類型按傳輸差分信息的覆蓋范圍按播發(fā)站的位置空（星）基陸基概述近程數據通信臨時性、短期性的差分定位作業(yè)

優(yōu)點：穿透性強、直線傳播性強缺點：易受障礙物、地形和地球曲率的影響

長期性優(yōu)點：利用調頻信號基帶中的副載波進行數據傳輸不影響調頻臺主頻道的正常播音充分利用了調頻信號基帶中的副載波資源

概述中程數據通信長波（LF）特點：靠地面波傳輸、受大氣影響小而受地形影響較大不太適宜于差分定位中波（MF）特點：頻道擁擠，易受干擾，而且傳播速率仍偏低短波（VHF）特點：易受天氣和電離層干擾和影響、常出現盲區(qū)、通信設備造價低廉且集成度高

遠程數據通信特點：采用星基的差分數據播發(fā)站概述國際海運事業(yè)無線電技術委員會（RTCM）于1983年11月為全球推廣應用差分GPS業(yè)務設立了SC-104專門委員會。1985年11月發(fā)表了Ver1.0版本差分定位精度為8～10m1990年1月公布了Ver2.0版本提高了差分改正數的抗差錯性能，增大了可用信息量。差分定位精度提高到5m，通?？蛇_2～3m甚可達到1m1994年1月又公布了Ver2.1版本適應載波相位差分GPS的需要；保留了基本電文，增加了支撐實時動態(tài)定位RTK的新電文；

2001年8月發(fā)布2.3版（目前最新版）RTCMSC-104標準格式RTCM-SC104數據格式考慮到GPS的用戶已經熟悉了GPS的基本導航電文，在RTCM電文格式中保留了GPS電文的字長、字格式、奇偶校驗規(guī)則和其它特性差分GPS電文格式采用可變長度的格式。在具體使用中考慮以下因素：增強奇偶校驗規(guī)則，以檢測出數據中的誤差，避免將錯誤改正數發(fā)送給用戶，提高用戶使用的可靠性。一般用戶不需要數據鏈的奇偶校驗，不需要在數據傳輸過程中的控制。這樣，在多數應用中不要求數據鏈的奇偶校驗和編碼方案。奇偶校驗規(guī)則搭接邊界和求解模糊度符號，在雙相調制數據傳輸中統(tǒng)一協調解決。采用30bit字碼和50Hz傳輸率與GPS相匹配,字邊界時間為0.6s的整數倍，便于定時控制。以前采用的32bit字碼只能在16s內有一次相遇。RTCM-SC104數據格式電文類型狀

態(tài)內

容12345678910111213141516171819202122～585960～63固定固定固定棄置試用固定固定試用固定備用備用備用試用備用備用固定試用試用試用試用試用—試用備用差分GPS改正數△差分GPS改正數基準站參數測地工作衛(wèi)星星座健康狀態(tài)零幀信標歷書偽衛(wèi)星歷書部分衛(wèi)星差分改正數P碼差分改正數（全部衛(wèi)星）C/A碼，L1，L2△改正數偽衛(wèi)星站參數地面發(fā)射機參數測地輔助電文電離層、對流層電文專用電文星歷歷書未改正的載波相位觀測量未改正的偽距觀測量RTK載波相位改正數RTK偽距改正數未定義專利信息其他用途信息RTCMSC-104的電文類型:21類共63種電文格式差分定位差分GPS定位原理

差分定位是在一個地理位置準確已知點建立差分基準臺，實時計算出誤差信息，并將此信息傳送給用戶，用戶即可得到高精度定位。

DifferentialCorrection2位置差分差分定位10m10m基準站（位置已知）接收機(位置未知)接收機估計位置接收機估計位置真實位置（已知）坐標改正信息差分定位如果考慮到用戶站的位置改正瞬間變化，則式中為校正的有效時刻。位置差分特點優(yōu)點:計算方法簡單，適用范圍較廣；缺點:實現位置差分原理的先決條件是必須保證基準站和用戶站觀測同一組衛(wèi)星的情況；適用范圍：用戶與基準站間距離在100km以內。差分定位衛(wèi)星到基準站的真實距離

偽距的改正數

偽距改正數的變化率

基準站的接收機測量的偽距

經過差分修正的偽距

用戶至衛(wèi)星的偽距

基準站接收機計算出基站至可見衛(wèi)星的距離，并將此距離與含有誤差的測量值加以比較偽距差分差分定位優(yōu)點：可以達到較高的精度；可以采用外推的方法繼續(xù)進行高精度定位；允許用戶接收任意4顆星的信號進行定位。缺點：用戶和基準站之間的距離對精度有決定性影響。隨著用戶到基準站距離的增加又出現了新的系統(tǒng)誤差，且無法用差分方法消除。偽距差分特點差分定位：經差分改正后的用戶站到衛(wèi)星的偽距；：鐘差；：觀測的相位差小數部分；

：整周相位模糊度；：波長；

：用戶站至衛(wèi)星的真實距離，包括用戶站的三維坐標；

：接收機的測量噪聲。相位平滑的偽距差分偽距觀測方程載波相位的觀測方程差分定位取t1、t2兩時刻的相位觀測量之差，以消除整周相位模糊度

（1）

若基準站與用戶站相距不太遠，可認為=0。在t2時刻的偽距觀測量為（2）差分定位將(2)代入到(1)得

（3）將(3)代入t2時刻的偽距觀測量得t1時刻的偽距觀測量（4）以上述方法可由不同時段的相位差求出t1時刻的偽距觀測量。差分定位從t1到tk的相位差值k個歷元的觀測值

t1時刻k個偽距觀測量

對所有推導值取平均，得到t1時刻的偽距平滑值可推得其他各時刻的平均值

（k=2,3，…，k）

差分定位以上的推導只適用于數據的后處理，至于實時動態(tài)應用，我們可以采用另一種平滑形式，即類似于濾波的形式設起始條件為：因為對各顆衛(wèi)星的偽距觀測是等精度的，則求解點位時觀測方程的權陣僅與平滑次數有關，即權陣為（對于n個衛(wèi)星）

可以根據相位平滑偽距的觀測量解出用戶站的坐標差分定位v=4km/s20200km1000km50km10kmdistance??km載波相位差分差分定位載波相位差分技術(RTK技術:realtimekinematic），建立在實時處理兩個測站的載波相位測量基礎上。能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。實現方法修正法：基準站向用戶站發(fā)送載波相位修正量（準RTK技術）。差分法：基準站將采集的載波相位發(fā)送給用戶臺進行求差解算

（真正的RTK技術）?；驹砼c偽距差分原理相同，由基準站通過數據鏈實時將其載波觀測量及基站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收導航衛(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。載波相位差分差分定位修正法

基準站與第i顆衛(wèi)星的偽距（接收機觀測值）星歷誤差對衛(wèi)星i：偽距改正數＝真實距離－偽距差分定位當基準站與用戶站相距較近時（小于100km）用戶臺觀測偽距偽距修正差分定位如果基準站與用戶站間同時觀測相同的4顆衛(wèi)星(i=1,2,3,4)差分定位求差法接收機間的一次差接收機和衛(wèi)星間的二次差接收機、衛(wèi)星和觀測歷元時刻之間的三次差差分定位

基準站A與用戶臺B到第j顆衛(wèi)星的偽距分別為一次差不能消除接收機間一次差（單差）差分定位A、B兩站與衛(wèi)星j和k的一次差：接收機與衛(wèi)星間二次差（雙差）求差消除鐘差差分定位三次差不會明顯提高差分定位結果接收機、衛(wèi)星和觀測歷元時刻之間的三次差差分定位整周模糊度整周模糊度N0=？？？Fr0N0=？？？Fr1Int(Φ)Int(Φ)相位整周模糊度差分定位

,:起始相位模糊度，即相位整周數的初始值;，:從起始歷元開始至觀測歷元間的相位整周數;

:測量相位差的小數部分；

:載波波長。用戶載波相位觀測量：基準站載波相位觀測量：差分定位

可通過刪除法、模糊度函數法、FARA法以及消去法求解初始相位模糊度。FARA基本思想（快速模糊度解算法）以數理統(tǒng)計理論的參數估計和假設檢驗為基礎，充分利用初始平差的解向量(點坐標及整周模糊度的實數解)，及其精度信息(方差與協方差陣和單位權中的誤差)，確定在某一置信區(qū)間整周模糊度可能的整數解的組合，然后依次將整周模糊度的每一組合作為已知值，重復地進行平差計算，其中能使估的驗后方差(或方差和)為最小的一組整周模糊度，即為所搜索的整周模糊度的最佳估值。局域差分GPS系統(tǒng)結構

基準站（多個）、數據通訊鏈、監(jiān)控站、用戶數學模型加權平均算法或最小方差算法局域差分GPS系統(tǒng)結構：基準站（一個）、數據通訊鏈和用戶數學模型：利用差分改正數的計算方法，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，可靠性低單基準站局域差分局域差分GPS系統(tǒng)單基準站局域差分局域差分GPS系統(tǒng)結構：基準站（多個）、數據通訊鏈、用戶數學模型：加權平均、偏導數法、最小方差法特點：優(yōu)點：差分精度高、可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局域差分局域差分GPS系統(tǒng)多基準站局域差分廣域差分GPS系統(tǒng)結構基準站（多個）、數據通訊鏈和用戶數學模型與普通差分不相同普通差分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、建設費用高廣域差分GPS系統(tǒng)工作流程

用戶用接收到的誤差改正觀測量，得到GPS精確定位跟蹤觀測GPS衛(wèi)星的偽距相位測得的偽距、相位和電離層延時的結果傳輸到中心站計算三項誤差的改正數包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延時將這些誤差改正用數據通信鏈傳輸到用戶站廣域增強系統(tǒng)

廣域增強系統(tǒng)WAAS廣域增強系統(tǒng)WAAS通過以下三種服務來增強GPS：改善可用性和可靠性改善精度改善安全性關于WAAS信號，其功能和設計思想是：不干擾現有GPS接收機的信號接收提供附加的距離測量提供最大可能的完善性能力和差分修正方便信號的接收偽衛(wèi)星技術偽衛(wèi)星為了保證GPS在一些