现代变形监测GNSS变形监测

接收机估计位置
10m
坐标改正信息
基准站 (X0，Y0，Z0）
（位置已知）
( X ，Y ，Z )
Xu
X
u
X
Yu Yu Y
Zu Zu Z
10m
接收机 (Xu，Yu，Zu)
(位置未知)
优点 ：可以达到较高的精度；可以采用外推的方法继续进行 高精度定位；允许用户接收任意4颗星的信号进行定位。
SBAS
GPS/GLONASS Satellites
1
Master Station
2
GEO 4
Integrity & Ranging+ Corrections
Reference Stations
Augmented Navigation
3
Ground Earth Station SBAS message
工控机 接收天线
服务器
发射天线
基准站工控机2
局域差分GPS系统
单基准站局域差分
局域差分GPS系统
• 单基准站局域差分
➢结构：基准站（一个）、数据通讯链和用户 ➢数学模型：利用差分改正数的计算方法，提供
距离改正和距离改正的变率。
➢特点：
• 优点：结构、模型简单 • 缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而
V
vvk1k2
aak1k2
bk1 bk2
c
1 k
c
2 k
1X k
1
Yk
llkk12
AX
L
0
vvkk43
aakk43
bk3 bk4
c
3 k
c
4 k
1 1
z k
l l
3 k
4 k
当同时观测的卫星数等于4时，可求出未知参数的唯一解：
X A1 L
当同时观测的卫星数大于4时，可用最小二乘法求解：
伪距差分 缺点 ：用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。随着
用户到基准站距离的增加又出现了新的系统误差 ，且无法用 差分方法消除。
(X i，Yi，Zi )
卫星到基准站的真实距离
Ri (Xi Xb )2 (Yi Yb )2 (Zi Zb )2
基准站的接收机测量的伪距 i 伪距的改正数 i Ri i
广域差分GPS系统
工作流程
跟踪观测GPS卫星的 伪距相位
测得的伪距、相位和 电离层延时的结果传 输到中心站
计算三项误差的改正 数包括卫星星历误差、 卫星钟差、电离层延时
将这些误差改正用数 据通信链传输到用户 站
用户用接收到的误差 改正观测量，得到GPS 精确定位
网络RTK—虚拟参考站(VRS)
•由若干个连续运行的 GNSS基准站、控制中心 和用户站（移动站）构成。
ajbk ajb akb
(Raj
Rbj
Rak
Rbk
)
(dM
j a
dM
j b
dM
k a
dM
k b
)
(vaj
vbj
vak
vbk
)
载波相位差分
• 接收机、卫星和观测历元时刻之间的三次差
三次差不会明显提高差分定位结果
GPS GPS
数据处理
总控
发射天线
基准站工控机1
GPS GPS GPS GPS 4 GPS
X ( AT A) 1 AT L
精度为：
D X m02Q X m02 ( AT A) 1
• 接收机位置坐标：WGS-84坐标系下的坐标 （X,Y,Z)根据大地坐标的正反算公式可将其转 化为大地经纬度坐标(经度，纬度，高程）。
❖伪距单点定位的精度：约十米
❖伪距单点定位既可用于静态定位，也可用于动态定
)
(vaj
vbj )
载波相位差分
• 接收机与卫星间二次差（双差）
A、B两站与卫星j和k的一次差：
ajb
(Raj
Rbj ) c(da
d
b
)
(dM
j a
dM
j b
)
(vaj
vbj )
akb
(Rak
Rbk ) c(da
d
b
)
(dM
k a
dM
k b
)
(vak
vbk )
求 消除钟差 差
– 远程(大于800km ):采用星基的差分数据播发站 • 按播发站的位置
– 空（星）基 – 陆基
基本原理
➢差分定位的基本原理
利用设置在坐标已知的点（基准站）上测定 GPS测量定位误差，用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。
利用基准站测定具有空间相关性的误差或其 对测量定位结果的影响，流动站改正其观测 值或定位结果。
j k
i
N
j k
(ti
)
j k
(ti
)
N
j k
N
j k
i 1
N
j k
(ti
)
N
j k
(ti
1
)
kj
(ti
1
)
kj (ti1)
k
连续载波相位测量
周跳：接收机内部载波整周计数丢失。
原理
• 思想
载波相位差分技术建立在实时处理两个测站的载波相位测量基础上。 能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。
下降，可靠性低
局域差分GPS系统
碟形卫星天线
碟形卫星天线
多基准站局域差分
局域差分GPS系统
• 多基准站局域差分
• 结 构：基准站（多个）、数据通讯链、用户。 • 数学模型：加权平均、偏导数法、最小方差法。 • 特 点：
优点：差分精度高、可靠性高、差分范围增大 缺点：差分范围仍然有限、模型不完善
主要内容
1
单点定位
2 差分定位 3 精密单点定位
Base receiver (known position)
Radio link for real-time DGPS
Roving receiver (unknown position)
基本结构
差分定位系统基本结构
RTCM-SC104
差分数据通信类型
网络RTK—虚拟参考站(VRS)
网络RTK—虚拟参考站(VRS)
VRS RTK 定位结果
单基准站RTK 定位结果
MDGPS/NDGPS
MDGPS由美国海岸警卫队（USCG）于20世纪80年代末开 发，它利用无线电指向标（信标）和DGPS技术结合的方 式实现服务区内优于10m（95%）的定位精度，并能够提 供一定的完好性，满足美国海岸和内陆水域的导航需求。 1997年，MDGPS的信标数量由原来的54个计划扩展至136 个以覆盖全美，这项计划被称为NDGPS。NDGPS差分信息 传送的频率（285~325kHz）和格式（RTCM SC-104）支持 国际标准，目前世界上已有50多个国家建立了类似的系统
( X b，Yb，Zb )
用户至卫星的伪距
i (u)
基准站接收机计算出基站至 可见卫星的距离，并将此距离 与含有误差的测量值加以比较
经过差分修正的伪距
ˆi (u) i (u) i
载波相位伪距测量
ti 1
kj (ti1 ) ti
ti 2
kj (ti2 )
初始载波相位整周模糊度
kj (ti )
N
解算（RTK技术） 。
(RTK: Real Time Kinematic
载波相位差分
• 求差法
接收机间的一次差 接收机和卫星间的二次差 接收机、卫星和观测历元时刻之间的三次差
载波相位差分
• 接收机间一次差（单差）
基准站 A与用户台B到第j 颗卫星的伪距：
aj
Raj
c(da
d
j s
)
d
aj
• 按传输差分信息的覆盖范围 近程(小于100km)
临时性、短期性的差分定位作业 优点：穿透性强、直线传播性强 缺点：易受障碍物、地形和地球曲率的
中程(30～800km)
长波(LF):靠地面波传输、受大气影响小而受地形影响较大 不太适宜于差分定位
中波(MF):频道拥挤，易受干扰，而且传播速率仍偏低 短波(VHF):易受天气和电离层干扰和影响、常出现盲区、通信 设备造价低廉且集成度高
d
j aion
d j atrop
dM
j a
vaj
bj
Rbj
c(db
d
j s
)
d bj
d
j bion
d
j btrop
dM
j b
vbj
一次差
不能消除
ajb aj bj
(Raj
Rbj )
c(d a
db )
(d aj
d bj )
(d
j aion
d
j bion
)
(d
j atrop
d
j btrop
•基准站对卫星进行连续观测，并 将观测值实时地传输至控制中心。 •控制中心根据这些基准站的观测 值•由，于建其立差区分域改内正的是G经NS过S电多离个层基、准 对站流观层 测和 资料卫有星效星组历合误求差出改的正，模可型， 并以实消时 除地 电将 离各 层基 、准 对站 流的 层观 和测 卫值 星减 星 去历其等误差改 ，正 即， 使形 用成 户“ 站无 远误 离差 基” 准 的站观，测 也值 能， 很再 快结 地合 确移 定动 自站 己的观 整测 周 值模，糊度在移 ，动 实站 现附 厘近 米（ 级通 的常 实约 时为 快几 速 米定到位几 。十米）形成一个虚拟的参 考•V站RS，RT计K技算术出大虚大拟扩参展考了站普的通相R位TK 差的分作改 业正 范， 围并 ，实 用时 户发 站布 不。 需要在每 •次用测户量站时利都用单接独收架到设的基相准位站差，分使改 正得信测息 量和 作自 业身 成的 本相 得位 到观 降测 低值 ，， 而组 且 成在双基差 准相 站位 信观 号测 覆值 盖并 范快 围速 内确 ，定整 位 周精模度糊 保度 持参 稳数 定和 ，位 可置 靠信 性息 得， 到完 进成 一 实步时提定 高位 。。
• 为了提高GPS 的定位精度，在实际定位模型中应考虑电 离层、对流层的影响，其影响可采用一些较成熟的模型 加以改正，因此可以认为是已知量。
• 当在某时刻观测卫星的个数j大于等于4间接平时，可采 用间接平差法计算接收机的位置坐标的最或然值。
➢ 首先根据待定点的近似坐标
X
0 k
,
Yk0
,
Z
0 k
• 基本原理
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基 站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收导航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。
• 实现方法
– 修正法：基准站向用户站发送载波相位修正量（准RTK技术）。 – 差分法：基准站将采集的载波相位观测值发送给用户台进行求差
对式（4.11）进行
线性化（用泰勒级数展开）得：
vkj
akjX k
bkjyk
ckjzk
(
j k0
ion
trop
ct j
)
式中
a
j k
X
j
X
0 k
j 0
ckj
Z
j
Z
0 k
j 0
bkj
Y
j Yk0
j 0
ctk
➢
令l
j k
(
j k0
ion
trop
ct j
/)
，j=1，
2，3，4，则式（4.12）写成矩阵的形式为：
➢ 4个未知参数：接收机位置 X k (tk ), Yk (tk ), Z k (tk ) 接收机钟差t k
❖ GPS伪距定位的原理图 ❖ 将GPS接收机的钟差作为未知参数的目的：
① 大大降低GPS接收机的成本， ② 实现GPS定时的功能。
S2
S3
S1
S4
i
i
i
1 i
GPS伪距定位的原理图
(X j (t j ) X k (tk ) 2 (Y j (t j ) Yk (tk ) 2 (Z j (t j ) Zk (tk ) 2
代入式（1）即为伪距定位的基本模型：
/ (X j (t j ) Xk (tk ) 2 (Y j (t j ) Yk (tk ) 2 (Z j (t j ) Zk (tk ) 2 ctk
广域差分GPS系统
结构
基准站（多个）、数据通讯链和用户。
• 数学模型
与普通差分不相同，普通差分考虑的是误差的综合影响。 广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型， 用户根据自身的位置，对观测值进行改正。
• 特点
– 优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大。 – 缺点： 系统结构复杂、建设费用高。
x+5, y-3
基准站 实际坐标 = x+0, y+0 校正 = x-5, y+3
位置差分
优点: 计算方法简单，适用范围较广； 缺点: 实现位置差分原理的先决条件是必须保证基准站和用 户站观测同一组卫星的情况； 适用范围：用户与基准站间距离在100km以内。
接收机估计位置
真实位置 （已知）
X X X 0 Y Y Y0 Z Z Z0
差分系统的分类
• 根据时效性 – 实时差分 – 事后差分
• 根据差分改正数类型 – 位置差分 – 距离差分
• 根据观测值的类型 – 伪距差分 – 载波相位差分
• 根据覆盖范围 – 局域差分 – 广域差分
位置差分
x+30, y+60
-5, +3
流动站
电台
差分改正 = x+(30-5) and y+(60+3) 实际坐标 = x+25, y+63
主要内容
1
单点定位
2 差分定位 3 GNSS变形监测
伪距法绝对定位原理
❖ 基本原理：通过码相关技术求定卫星信号到达接收机的时间 延迟，从而求出卫星到达接收机的距离。
/ c / ct ctk
（1）
❖ 伪距定位的基本模型的推导：
为卫星j到接收机k的几何距离，可用位于同一坐标系
的卫星与接收机的空间直角坐标表示为：