卫星导航-差分定位
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Harbin Engineering University
卫星导航系统—差分定位
丁继成
哈尔滨工程大学 自动化学院
Base receiver (known position) Radio link for real-time DGPS
Roving receiver (unknown position)
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：
j j aj Raj c(d a d sj ) d aj d aion d atrop dM aj vaj j j bj Rbj c(d b d sj ) d bj d bion d btrop dM bj vbj
基准站的接收机测量的伪距
i
用户至卫星的伪距 i (u )
伪距的改正数 i Ri i
( X b，Yb，Z b )
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
ˆ i (u) i (u) i
载波相位伪距测量
ti 2 ti 1
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
AAIM
Aircraft Autonomous Integrity Monitoring
(GBAS)
Autonomiczne monitorowanie Autonomiczne monitorowanie integralności statku powietrznego integralności odbiornika
基本结构
差分定位系统基本结构
RTCM-SC104
差分数据通信类型
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
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 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
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。
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
RTCM-SC104数据格式
电文类型 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22～58 59 60～63 状 态 固定 固定 固定 弃置 试用 固定 固定 试用 固定 备用 备用 备用 试用 备用 备用 固定 试用 试用 试用 试用 试用 — 试用 备用 内 容
•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 •由于其差分改正是经过多个基准 值，建立区域内的GNSS电离层、 对流层和卫星星历误差改正模型， 站观测资料有效组合求出的，可 并实时地将各基准站的观测值减 以消除电离层、对流层和卫星星 去其误差改正，形成“无误差” 历等误差，即使用户站远离基准 的观测值，再结合移动站的观测 站，也能很快地确定自己的整周 值，在移动站附近（通常约为几 模糊度，实现厘米级的实时快速 米到几十米）形成一个虚拟的参 定位。 考站，计算出虚拟参考站的相位 •VRS RTK技术大大扩展了普通 差分改正，并实时发布。 RTK的作业范围，用户站不需要 •用户站利用接收到的相位差分改 在每次测量时都单独架设基准站， 正信息和自身的相位观测值，组 使得测量作业成本得到降低，而 成双差相位观测值并快速确定整 且在基准站信号覆盖范围内，定 周模糊度参数和位置信息，完成 位精度保持稳定，可靠性得到进 实时定位。 一步提高。
kj (ti 1 )
ti
初始载波相位整周模糊度
kj (ti 2 )
kj (ti )
N kj N
j k
i N kj (ti ) kj (ti )
N kj
i 1 N kj (ti ) N kj (ti 1 ) kj (ti 1 ) kj (ti 1 )
求 消除钟差 差
jk j k ab ab ab k ( Raj Rbj Rak Rbk ) (dM aj dM bj dM ak dM bk ) (vaj vbj va 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
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
广域差分GPS系统
一次差
j ab aj bj
不能消除
j j ( Raj Rbj ) c(d a d b ) (d aj d bj ) (d aion d bion ) j j (d atrop d btrop ) (dM aj dM bj ) (vaj vbj )
Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee No. 104
RTCM-SC 104的电文类型: 21类共63种电文格式
差分GPS改正数 △差分GPS改正数 基准站参数 测地工作 卫星星座健康状态 零帧 信标历书 伪卫星历书 部分卫星差分改正数 P码差分改正数（全部卫星） C/A码，L1，L2△改正数 伪卫星站参数 地面发射机参数 测地辅助电文 电离层、对流层电文 专用电文 星历历书 未改正的载波相位观测量 未改正的伪距观测量 RTK载波相位改正数 RTK伪距改正数 未定义 专利信息 其他用途信息
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。
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
增强系统
航空导航性能需求
精度（Accuracy） 在无故障条件下，利用导航系统确定的用户位置与真实位 置的偏离程度，分为水平定位精度和垂直定位精度。 完好性（Integrity） 完好性是导航系统提供的信息正确性的置信度，包括系统 在无法用于某些预定操作时向用户及时告警的能力。 连续性（Continuity） 连续性是指无中断情况下，导航系统在整个飞行阶段满足 定位精度和完好性需求的能力。 可用性（Availability） 可用性指系统在具备完整运行能力的情况下，满足用户对 定位精度、完好性和连续性要求的时间百分比。
接收机估计位置
真实位置 （已知）
X X X 0 Y Y Y0 Z Z Z 0
接收机估计位置
10m
坐标改正信息
10m
基准站 （位置已知）
(X 0，Y0，Z0）
接收机 (位置未知)
( X u，Yu，Zu )
( X ，Y ，Z )
X u X u X Yu Yu Y Zu Zu Z
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。
广域差分GPS系统
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：
j ab ( Raj Rbj ) c(d a d b ) (dM aj dM bj ) (vaj vbj ) k k k k k ab ( Ra Rbk ) c(d a d b ) (dM a dM bk ) (va vb )
周跳：接收机内部载波整周计数丢失。
k
连续载波相位测量
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。
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。
位置差分
x+5, y-3
x+30, y+60 -5, +3
流动站
电台
基准站 实际坐标 = x+0, y+0 校正 = x-5, y+3
差分改正 = x+(30-5) and y+(60+3) 实际坐标 = x+25, y+63
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。
伪距差分
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。 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，Z i )
卫星到基准站的真实距离
Ri ( X i X b ) 2 (Yi Yb ) 2 ( Z i Z b ) 2
三次差不会明显提高差分定位结果
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 下降，可靠性低
ICAO:GNSS
Satellite Based Augmentation System Aircraft Based
(SBAS)
Augmentation System
(ABAS)
RAIM
Ground Based Augmentation System
Receiver Autonomous Inຫໍສະໝຸດ Baiduegrity Monitoring
卫星导航系统—差分定位
丁继成
哈尔滨工程大学 自动化学院
Base receiver (known position) Radio link for real-time DGPS
Roving receiver (unknown position)
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：
j j aj Raj c(d a d sj ) d aj d aion d atrop dM aj vaj j j bj Rbj c(d b d sj ) d bj d bion d btrop dM bj vbj
基准站的接收机测量的伪距
i
用户至卫星的伪距 i (u )
伪距的改正数 i Ri i
( X b，Yb，Z b )
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
ˆ i (u) i (u) i
载波相位伪距测量
ti 2 ti 1
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
AAIM
Aircraft Autonomous Integrity Monitoring
(GBAS)
Autonomiczne monitorowanie Autonomiczne monitorowanie integralności statku powietrznego integralności odbiornika
基本结构
差分定位系统基本结构
RTCM-SC104
差分数据通信类型
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
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 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
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。
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
RTCM-SC104数据格式
电文类型 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22～58 59 60～63 状 态 固定 固定 固定 弃置 试用 固定 固定 试用 固定 备用 备用 备用 试用 备用 备用 固定 试用 试用 试用 试用 试用 — 试用 备用 内 容
•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 •由于其差分改正是经过多个基准 值，建立区域内的GNSS电离层、 对流层和卫星星历误差改正模型， 站观测资料有效组合求出的，可 并实时地将各基准站的观测值减 以消除电离层、对流层和卫星星 去其误差改正，形成“无误差” 历等误差，即使用户站远离基准 的观测值，再结合移动站的观测 站，也能很快地确定自己的整周 值，在移动站附近（通常约为几 模糊度，实现厘米级的实时快速 米到几十米）形成一个虚拟的参 定位。 考站，计算出虚拟参考站的相位 •VRS RTK技术大大扩展了普通 差分改正，并实时发布。 RTK的作业范围，用户站不需要 •用户站利用接收到的相位差分改 在每次测量时都单独架设基准站， 正信息和自身的相位观测值，组 使得测量作业成本得到降低，而 成双差相位观测值并快速确定整 且在基准站信号覆盖范围内，定 周模糊度参数和位置信息，完成 位精度保持稳定，可靠性得到进 实时定位。 一步提高。
kj (ti 1 )
ti
初始载波相位整周模糊度
kj (ti 2 )
kj (ti )
N kj N
j k
i N kj (ti ) kj (ti )
N kj
i 1 N kj (ti ) N kj (ti 1 ) kj (ti 1 ) kj (ti 1 )
求 消除钟差 差
jk j k ab ab ab k ( Raj Rbj Rak Rbk ) (dM aj dM bj dM ak dM bk ) (vaj vbj va 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
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
广域差分GPS系统
一次差
j ab aj bj
不能消除
j j ( Raj Rbj ) c(d a d b ) (d aj d bj ) (d aion d bion ) j j (d atrop d btrop ) (dM aj dM bj ) (vaj vbj )
Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee No. 104
RTCM-SC 104的电文类型: 21类共63种电文格式
差分GPS改正数 △差分GPS改正数 基准站参数 测地工作 卫星星座健康状态 零帧 信标历书 伪卫星历书 部分卫星差分改正数 P码差分改正数（全部卫星） C/A码，L1，L2△改正数 伪卫星站参数 地面发射机参数 测地辅助电文 电离层、对流层电文 专用电文 星历历书 未改正的载波相位观测量 未改正的伪距观测量 RTK载波相位改正数 RTK伪距改正数 未定义 专利信息 其他用途信息
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。
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
增强系统
航空导航性能需求
精度（Accuracy） 在无故障条件下，利用导航系统确定的用户位置与真实位 置的偏离程度，分为水平定位精度和垂直定位精度。 完好性（Integrity） 完好性是导航系统提供的信息正确性的置信度，包括系统 在无法用于某些预定操作时向用户及时告警的能力。 连续性（Continuity） 连续性是指无中断情况下，导航系统在整个飞行阶段满足 定位精度和完好性需求的能力。 可用性（Availability） 可用性指系统在具备完整运行能力的情况下，满足用户对 定位精度、完好性和连续性要求的时间百分比。
接收机估计位置
真实位置 （已知）
X X X 0 Y Y Y0 Z Z Z 0
接收机估计位置
10m
坐标改正信息
10m
基准站 （位置已知）
(X 0，Y0，Z0）
接收机 (位置未知)
( X u，Yu，Zu )
( X ，Y ，Z )
X u X u X Yu Yu Y Zu Zu Z
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。
广域差分GPS系统
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：
j ab ( Raj Rbj ) c(d a d b ) (dM aj dM bj ) (vaj vbj ) k k k k k ab ( Ra Rbk ) c(d a d b ) (dM a dM bk ) (va vb )
周跳：接收机内部载波整周计数丢失。
k
连续载波相位测量
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。
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。
位置差分
x+5, y-3
x+30, y+60 -5, +3
流动站
电台
基准站 实际坐标 = x+0, y+0 校正 = x-5, y+3
差分改正 = x+(30-5) and y+(60+3) 实际坐标 = x+25, y+63
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。
伪距差分
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。 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，Z i )
卫星到基准站的真实距离
Ri ( X i X b ) 2 (Yi Yb ) 2 ( Z i Z b ) 2
三次差不会明显提高差分定位结果
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 下降，可靠性低
ICAO:GNSS
Satellite Based Augmentation System Aircraft Based
(SBAS)
Augmentation System
(ABAS)
RAIM
Ground Based Augmentation System
Receiver Autonomous Inຫໍສະໝຸດ Baiduegrity Monitoring