GPS差分定位基本原理

?修正法：与伪距差分相同，基准站将载波相位 修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然 后求解坐标。为准 RTK 技术．
?差分法：后者将基准站采集的载波相位发送给 用户进行求差解算坐标。为真正的 RTK技术。
载波相位实时动态差分技术 ——RTK（Real Time Kinematic）GPS技术
? 实时动态（ Real Time Kinematic ——RTK）差分测 量系统，是 GPS测量技术与数据传输技术相结合而 构成的组合系统。它是 GPS测量技术发展中的一个 新的突破。
根据测量值可得伪距改正数及变化率：
用户的改正伪距即为：
利用改正的伪距按观测方程计算用户坐标
Fra Baidu bibliotek
优点：
? 伪距改正是在ＷＧＳ－８４坐标上进行的， 得到的是直接改正数，所以可到达很高的精 度。
? 可提供改正数及变化率，所以在未得到改正 数的空隙内能继续精密定位。
? 基准站提供所有卫星改正数，用户只需接收 ４颗卫星信号，结构可简单。
用数据链发送出去，用户接收机接收后改正：
顾及用户位置改正的瞬时变化，可得：
用户坐标中消去了基准站与用户站的共同误差，例如 卫星轨道误差、SA影响、大气影响等。
优点：计算简单，适用各种GPS接收机。 缺点：要求观测同一组卫星，近距离可做到，距离较 长很难满足。 位置差分只适用于基准站与用户站相距100km以内的 情况。
误差类型
(单位：m)
间距（km） 0 100 300 500
卫星钟误差
3.0 0 0 0 0
卫星星历误差
2.4 0 0.04 0.13 0.22
SA ：卫星钟频抖动
24 0.25 0.25 0.25 0.25
SA ：人为引入的星历误差
24 0 0.43 1.30 2.16
大气延迟误差：电离层延迟
4.0 0 0.73 1.25 1.60
? 数学模型（差分改正数的计算方法）
? 提供距离改正和距离改正的变率
V (t ? ? t) ? V(t ) ? dV ?? t
i
i dt
基准 站
V为距离改正数；dV为距离改正数 的变率。
? 特点
dt
??优缺点点：：结差构分、范模围型小简，单精度随距基准站流（站距动用 离的增加数通而链据讯下
降，可靠性低
GPS差分定位基本原理
差分GPS定位方法
根据基准站已知精密坐标，计算出基准站 到卫星的距离改正数，并由基准站实时地 将这一改正数发送。用户不但接收GPS信 号，同时也接收基准站的改正数，并对其 定位结果进行改正，以提高定位精度。
分为单基站差分、多基准站的局部区域差 分和广域差分
差分定位基本原理
基准站 ?~j ? ? j ? c?t ? d ? d ? ?
? 距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站 星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改 正数。
? 位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对 GPS 卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知 坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。
差分GPS对测量定位精度的改进
GPS
DGPS(单位：m)
? 测区内的所有待定点接收机，除跟踪观测 GPS 卫星伪距 外，同时还接收基准站发来的伪距修正值，对相应的 GPS 卫星伪距进行修正
? 然后，用修正后的伪距进行定位
? 差分定位在基准站的支持下，利用差分修 正参数改正观测伪距
?大大消减卫星星历误差、电离层和对流层延迟 误差及 SA 的影响，提高定位精度。
缺点： ? 与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消
? 但随用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误 差用任何差分法都是不能消除的。
? 基准站和用户站间距离对伪距差分的精度有决定性 影响。
? 星历提供的卫星钟与ＧＰＳ时间不精确同步，卫星 实际位置和计算位置不一致
? 两地测量误差始终有无法校正的剩余误差。
用户等效距离误差（rms)
34.4 1.16 1.49 2.19 2.96
导航精度（2drms）HDOP = 1.5
103.2 3.5 4.5 6.6 8.9
差分 GPS 的分类
? 根据时效性
? 实时差分
? 事后差分
坐 标
? 根据观测值类型
改
? 伪距差分
正
? 载波相位差分
? 根据差分改正数 ? 位置差分（坐标差分）
差分 GPS 的基本原理
? 误差的空间相关性
? 以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关 性，从而定位结果也有一定的空间相关性。
? 差分GPS的基本原理
? 利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空 间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动 站改正其观测值或定位结果
? 差分改正数的类型
结论： ? 用户站和基准站距离越大，用ＧＰＳ差分得到的位
置精度越低。 ? 卫星位置误差与ＧＰＳ差分误差成正比关系。
扩展伪距差分（广域差分）
? 在一个广阔的地区内提供高精度的差分Ｇ ＰＳ服务，将若干基准站和主站组成差分 ＧＰＳ网。
? 主站接收各个监测站差分ＧＰＳ信号，组 合后形成扩展区域内的有效差分ＧＰＳ改 正电文，再把扩展ＧＰＳ改正信号发送出 去给用户接收机。
大气延迟误差：对流层延迟
0.4 0 0.40 0.40 0.40
基准站接收机误差噪声和多路径误差
0.50 0.50 0.50 0.50
基准站接收机误差：测量误差
0.20 0.20 0.20 0.20
DGPS 误差（ms)
0.59 1.11 1.94 2.79
用户接收机误差
1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
Ri
Ri
i
ion
trop ?
修正量
? P ? ?~ j ? ? j
误差
Ri
Ri
? P ? c?t ? d ? d ? ?
误差
i
?
ion
trop
移动目标 ?~j ? ?~j ? ? P
修正
Mi
?~j ? ? j ? c?t ? d ? d ? ?
Mi
Mi
i
ion
trop
?
概述①
? 差分GPS产生的诱因： 绝对定位精度不能满 足要求
位置差分和距离差分的特点
? 位置差分
?差分改正计算的数学模型简单 ?差分数据的数据量少 ?基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星
? 距离差分
?差分改正计算的数学模型较复杂 ?差分数据的数据量较多 ?基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星
单基准站局域差分
? 结构
? 基准站（一个）、数据通讯链和用户
扩展伪距差分（广域差分）
? 广域差分ＧＰＳ的基本思想: ? 对ＧＰＳ观测量的误差源加以区分，将每一误差源的 数值通过数据链传输给用户站，改正用户站的ＧＰＳ 定位误差 ? 引入电离层模型、对流层模型和卫星星历误差估算 ( 包 括卫星钟差改正 )
? 扩展伪距差分（广域差分）误差集中表现为三方面： ? 星历误差：扩展差分依赖区域精密定轨确定精密星历 取代广播星历。 ? 大气时延误差（电离层时延和对流层时延）：广域差 分通过建立精密区域大气时延模型，精确计算大气时 延量。改正模型 ? 卫星钟差误差：广域差分可计算出卫星钟各时刻的精 密钟表值。
相位平滑伪距差分原理
? 伪距差分实际上是在测站之间求伪距观测值的一次 差，因而消除了两伪距观测值中所含有的共同的系 统误差，但是却无法消除伪距观测值中所含有的随 机误差，从而限制了伪距差分定位的精度。
? 载波相位测量的精度较测距码伪距测量的精度高 2个 数量级，如果能用载波相位观测值对伪距观测值进 行修正，就可提高伪距定位的精度，但是载波相位 整周数无法直接测得，因而难以直接利用载波观测 值。
户）
多基准站局域差分
? 结构
?基准站（多个）、数据通讯链和用户
? 数学模型（差分改正数的计算方法）
?加权平均
?偏导数法
?最小方差法
? 特点
多基准站差分系统结构
?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
广域差分
? 结构
? 基准站（多个）、数据通讯链和用户
? 数学模型（差分改正数的计算方法）
用户接收到坐标改正数对其计算得到的坐标进行 改正。
经过坐标改正后的用户坐标已经消去了基准站与 用户的共同误差，如星历误差、大气折射误差、 卫星误差，提高精度。
伪距差分
伪距差分时目前应用最为广泛的一种差分定位技 术。通过在基准站上利用已知坐标求出站星的距 离，并将其与含有误差的测量距离比较，并将测 距误差传输给用户，用户用此来对测距进行相应 改正。 但伪距差分很大程度上依赖两站距离，随着距离 增加，其公共误差减弱，如对流层、电离层，因 此应考虑距离因素。
?GPS绝对定位的精度受 多种误差因素的影响， 完全满足某些特殊应用 的要求
?美国的 GPS政策对 GPS 绝对定位精度的影响 （选择可用性 SA）
SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化
概述②
? 差分GPS（DGPS – Differential GPS）
?利用设置在坐标已知的点（基准站）上的 GPS接 收机测定 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
? 与普通差分不相同
? 普通差分是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
位置差分原理
设已知基准站的精密坐标(x ,y ,z )，可求坐标改正数： 000
? RTK 测量技术，是以载波相位观测量为根据的实时 差分 GPS 测量技术。
? RTK 测量技术是准动态测量技术与 AROTF 算法和数 据传输技术相结合而产生的，它完全可以达到“精 度、速度、实时、可用”等各方面的要求。
伪距差分原理
? 差分定位是相对定位的一种特殊应用。 ? 高精度相对定位采用的是载波相位测量定位，而
差分定位则主要采用伪随机码伪距测量定位。
? 其基本方法是：
? 在定位区域内，于一个或若干个已知点上设置 GPS 接收 机作为基准站，连续跟踪观测视野内所有可见的 GPS 卫 星伪距
? 经与已知距离比对，求出伪距修正值（称为差分修正 参数），通过数据传输线路，按一定格式发播
?它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米 级的高精度。
载波相位差分原理
? 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站坐标信息一同 传送给用户站。
?用户站接收 GPS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。
? 实现载波相位差分GPS的方法分为两类：
相位平滑伪距差分原理
? 虽然整周数无法获得，但可由多普勒频率计数获得 载波相位的变化信息，即可获得伪距变化率的信息， 可利用这一信息来辅助伪距差分定位，称为载波多 普勒计数平滑伪距差分；
? 另外，在同一颗卫星的两历元间求差，可消除整周 未知数，可利用历元间的相位差观测值对伪距进行 修正，即所谓的相位平滑伪距差分。
载波相位差分原理
? 差分GPS的出现，能实时给定裁体的位置， 精度为米级，满足不了引航、水下测量等 工程的要求。
?位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技 术已成功地用于各种作业中
?随之而来的是更加精密的测量技术 ——载波相 位差分技术。
? 载波相位差分技术建立在实时处理两个测 站的载波相位基础上的。
? 实时定位精度可达10～15m，事后处理的 定位精度可达3～5m
? 差分定位需要数据传播路线，用户接收机 要有差分数据接口
? 一个基准站的控制距离约在200～300km范 围。
伪距差分是目前用途最广的一种差分技术。几乎所有的商 用差分GPS接收机均采用这种技术。
已知基准站精密坐标和用星历计算得到的某一时刻的卫星 坐标，可计算卫星到基准站的真实距离：
? 距离差分
距
? 根据工作原理和差分模型
离
? 局域差分（LADGPS – Local Area D改GPS）
? 单基准站差分
正
? 多基准站差分 ? 广域差分（WADGPS – Wide Area DGPS）
位置差分 距离差分
位置差分
位置差分 GPS是一种最简单的差分方法。安置在 已知精确坐标基准站 GPS接收机，利用数据链将 坐标改正数发送给用户。
? RTCM-104 格式
影响绝对定位精度的主要误差
? 主要误差
?卫星轨道误差 ?卫星钟差 ?大气延迟（对流层延迟、对流层延迟） ?多路径效应
? 对定位精度的影响
定位精度 ? 等效距离误差? PDOP PDOP通常大于1。
PDOP：Position Dilution of Precision ,位置精度衰减因子