卫星导航增强系统

概述
卫星导航的差分定位技术是显著改善卫星导航系统精度 和完善性的一种技术，工作原理： 利用卫星导航系统的误差随时间变化缓慢，而且与距离 和路径强相关的特性，通过求差的方法，消除或大大减少公 共误差，从而提高定位精度。

差分系统基准站发送的信息方式： 位置差分 伪距差分 相位差分 相位平滑的伪距差分
在t2时刻的伪距观测量为
i i (t2 ) Ru (t2 ) cd (t2 ) v1
（2）
差分定位
将(2)代入到(1)得
i i u (t2 ) Ru (t1 ) cd (t1 ) i (t1，t2 ) v1
（3 ）
将(3)代入t2时刻的伪距观测量
i (t1 ) Rui (t1 ) cd (t1 ) v1 得
( X i xu )2 (Y i yu )2 (Z i zu )2 d
（4）
t1 时刻的伪距观测量
i (t1 ) i (t2 ) i (t1，t2 )
以上述方法可由不同时段的相位差求出t1时刻的伪距观测量。
差分定位
从t1到tk的相位差值
k个历元的观测值
i (t1 )， i (t2 )， ， i (tk )
i (t1，t2 )， i (t1，t3 )， ， i (t1，tk )
差分定位
伪距差分特点 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。
差分定位
相位平滑的伪距差分 伪距观测方程
i (t1 ) i (t1 )
i (tk )
1 k 1 i (tk ) (tk 1 ) i (tk 1，tk ) k k
因为对各颗卫星的伪距观测是等精度的，则求解点位时观测方程的权阵 仅与平滑次数有关，即权阵为（对于n个卫星）
k1 0 k2 0 kn
差分定位
用户台观测伪距 i i i i i u Ru c(d u d si ) d u d uion d utrop dM u vu
伪 i i i 距 b Rb b 修 正
i i i i i i i b u Ru c(d u d b ) (d u d b ) (d uion d bion ) i i (d utrop d btrop ) (dM u dM b ) vu
可以根据相位平滑伪距的观测量解出用户站的坐标
差分定位
载波相位差分
v = 4 km/s
20200 km
1000 km
50km 10 km
distance ?? km
差分定位
载波相位差分 载波相位差分技术(RTK技术: real time kinematic），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。 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发送给用户台进行求差解算 （真正的RTK技术） 。
( X i，Yi，Z i )
基准站的接收机测量的伪距 i
伪距的改正数 i Ri i
用户至卫星的伪距 i (u )
伪距改正数的变化率
i
( X b，Yb，Z b )
t
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
ˆ i (u) i (u) i i (t t0 ) 经过差分修正的伪距
卫星导航系统
Global Navigation Satellite System
卫星导航系统课程 组
自动化学院 哈尔滨工程大学
第七章 卫星导航增强系统
本章内容安排
概述 基本差分算法 位置差分 伪距差分 载波相位差分 局域差分系统 广域差分系统 广域增强系统 信标差分系统
概述
差分定位系统的数据通信类型
按传输差分信息的覆盖范围

近程（小于100km） 中程（30～800km） 远程（大于800km）
按播发站的位置
空（星）基
陆基
概述
近程数据通信 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、地形和地球曲率的影响 长期性 优点： • 利用调频信号基带中的副载波进行数据传输 • 不影响调频台主频道的正常播音 • 充分利用了调频信号基带中的副载波资源

差分定位
取t1、t2两时刻的相位观测量之差，以消除整周相位模糊度
i (t1，t2 ) [ i (t2 ) i (t1 )]
R (t2 ) R (t1 ) cd (t2 ) cd (t1 ) v2
i u i u
（1）
若基准站与用户站相距不太远，可认为 v= 2 0 。
当基准站与用户站相距较近时（小于100km）
i i i i i i d u d b , d uion d bion , d utrop d btrop
差分定位
i i i b u Ru c(d u d b ) (dM u dM b ) (vu vb )
概述
中程数据通信 长波（LF） 特点：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） 特点：频道拥挤，易受干扰，而且传播速率仍偏低 短波（VHF） 特点：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 远程数据通信 特点：采用星基的差分数据播发站
RTCM-SC104数据格式
考虑到GPS的用户已经熟悉了GPS的基本导航电文，在RTCM 电 文格式中保留了GPS电文的字长、字格式、奇偶校验规则和其它 特性差分GPS电文格式采用可变长度的格式。在具体使用中考虑 以下因素：

增强奇偶校验规则，以检测出数据中的误差，避免将错误改正数发送给用 户，提高用户使用的可靠性。 一般用户不需要数据链的奇偶校验，不需要在数据传输过程中的控制。这 样，在多数应用中不要求数据链的奇偶校验和编码方案。 奇偶校验规则搭接边界和求解模糊度符号，在双相调制数据传输中统一协 调解决。 采用30 bit字码和50Hz传输率与GPS相匹配,字边界时间为0.6s的整数倍 ，便于定时控制。以前采用的32bit字码只能在16s内有一次相遇。
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，Z 0）
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
差分定位
如果考虑到用户站的位置改正瞬间变化，则
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 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
概述
RTCM SC-104 标准格式 国际海运事业无线电技术委员会（RTCM）于1983年11月为 全球推广应用差分GPS业务设立了SC-104专门委员会。 1985年11月发表了Ver 1.0版本 差分定位精度为8～10m 1990年1月公布了Ver 2.0版本 提高了差分改正数的抗差错性能，增大了可用信息量。差分定 位精度提高到5m，通常可达2～3m甚可达到1m 1994年1月又公布了Ver 2.1版本 • 适应载波相位差分GPS的需要； • 保留了基本电文，增加了支撑实时动态定位RTK的新电文； 2001年8月发布2.3版（目前最新版）
差分定位
修正法 基准站与第i颗卫星的伪距（接收机观测值）
i i i i i b Rb c(d b d si ) d b d bion d btrop dMb vb
星历误差
对卫星i ：伪距改正数＝真实距离－伪距
i i i b Rb b i i i c(d b d si ) d b d bion d btrop dMb vb
位置差分特点 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。
差分定位
伪距差分
卫星到基准站的真实距离
Ri ( X i X b ) 2 (Yi Yb ) 2 (Zi Zb ) 2
i i Ru cd v1
i ( i N i ) Ru cd v2
载波相位的观测方程
i ：经差分改正后的用户站到卫星的伪距； d ：钟差；
：观测的相位差小数部分；
i
N i ：整周相位模糊度；
：波长； R u ：用户站至卫星的真实距离，包括用户站的三维坐标； v1 , v2 ：接收机的测量噪声。
RTCM SC-104的电文 类型: 21类共63种电文格式
差分定位
差分定位是在一个地理位置准确已知点建立差分基准台， 实时计算出误差信息，并将此信息传送给用户，用户即可得到 高精度定位。
差分GPS定位原理
wk.baidu.com分定位
位置差分
接收机估计位置
真实位置 （已知）
X X X 0 Y Y Y0 Z Z Z0
可推得其他各时刻的平均值 1 k 1 i i i (tk ) (tk ) ( t ) (tk 1，tk ) k 1 （k = 2, 3，…，k） k k
差分定位
以上的推导只适用于数据的后处理，至于实时动态应用，我们可以采用 另一种平滑形式，即类似于滤波的形式设起始条件为 ：
i (t1 ) i (t1 )
t1时刻k个伪距观测量
i (t1 ) i (t2 ) i (t1，t2 ) i (t1 ) i (tk ) i (t1，tk )
对所有推导值取平均，得到t1时刻的伪距平滑值
i (t1 )
1 i (t1 ) k
d( X X u) Xu Xu X (t t0 ) dt d( Y Y u ) Yu Yu Y (t t0 ) dt d( Z Z u) Z u Z u Z (t t0 ) dt
式中 t 0为校正的有效时刻。
概述
差分形式
局域差分GPS系统（LADGPS） 广域差分GPS系统（WADGPD） 广域增强系统（WAAS）
无线电信标差分GPS系统（RBN/DGPS ）
概述
差分定位系统结构
卫星
用户台1
基准站 改正信息 数据链电台
用户台2
基准站 多个用户台 数据链（调制解调器电台）
用户台3
差分定位系统