6 GPS相对定位ccc.docx

6 GPS相对定位ccc.docx

《6 GPS相对定位ccc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《6 GPS相对定位ccc.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

6GPS相对定位ccc

第六章GPS相对定位

GPS相对定位是利用两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。

6.1静态相对定位

静态相对定位一般均采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量，对中等长度的基线（100-500km），相对定位精度可达10-6-10-7甚至更好。

观测量的线性组合

假设安置在基线端点的接收机Ti（i=1,2），对GPS卫星sj和sk，于历元t1和t2进行了同步观测，可以得到如下的载波相位观测量：

1j（t1）、1j（t2）、1k（t1）、1k（t2）、2j（t1）、2j（t2）、2k（t1）、2k（t2）。

若取符号j（t）、i（t）和ij（t）分别表示不同接收机之间（站间差分）、不同卫星之间（星间差分）和不同观测历元之间（历元间差分）的观测量之差，则有：

已知载波相位观测方程为：

1、单差（Single-Difference——SD）：

在不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差。

观测方程：

在上式中，卫星钟差的影响已经消除，这是单差模型的优点。

两观测站接收机的相对钟差，对同一历元两站接收机同步观测量所有单差的影响均为常量。

而卫星轨道误差和大气折射误差，对两站同步观测结果的影响具有相关性，其对单差的影响明显减弱。

如果对流层对独立观测量的影响已经根据实测大气资料利用模型进行了修正；而电离层的影响也利用模型或双频技术进行了修正，则载波相位观测方程中相应项，只是表示修正后的残差对相位观测量的影响。

这些残差的影响，在组成单差时会进一步减弱。

如果忽略之，若T1为已知点，则单差观测方程线性化为：

式中：

误差方程为：

式中：

。

若两观测站同步观测卫星数为nj，则误差方程组为：

或

若同步观测同一组卫星的历元数为nt，同理可列出相应的误差方程组。

2、双差（Double-Difference——DD）：

在不同观测站，同步观测同一组卫星，所得单差之差。

观测方程：

双差模型的优点是消除了接收机钟差的影响。

如果取观测站T1作为已知参考点，则双差观测方程线性化为：

误差方程为：

式中：

若两观测站同步观测卫星数为nj，则误差方程组为：

或

若同步观测同一组卫星的历元数为nt，同理可列出相应的误差方程组。

3、三差（Triple-Difference——TD）：

于不同历元，同步观测同一组卫星，所得观测量的双差之差。

三差模型的优点是消除了整周未知数的影响，但使观测方程的数量进一步减少。

误差方程为：

式中：

上述三种模型的优点：

1）消除或减弱一些具有系统性误差的影响，如卫星轨道误差、钟差和大气折射误差等；

2）减少平差计算中未知数的个数。

缺点：

1）原始独立观测量通过求差将引起差分量之间的相关性；

单差观测量不相关（数学不相关，但物理上相关）；双差、三差观测量相关。

2）平差计算中，差分法将使观测方程数明显减少；

3）在一个时间段的观测中，为了组成观测量的差分，通常应选择一个参考观测站和一颗参考卫星。

如果某一历元，对参考站或参考卫星的观测量无法采用，将使观测量的差分产生困难。

参加观测的接收机数量越多，情况越复杂，此时将不可避免地损失一些观测数据。

因此，应用原始观测量的非差分模型，进行高精度定位研究，也日益受到重视。

6.2动态相对定位（差分GPS）

GPS测量误差的空间相关性（除多路径效应），定位结果也有一定的空间相关性。

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，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，即为DGPS。

差分GPS可分为：

单站GPS的差分、局部区域GPS差分、广域差分。

6.2.1单站GPS的差分

根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：

位置差分、伪距差分和相位差分。

这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。

所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

1.位置差分原理

这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。

　安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。

由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在一个差值。

基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。

最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度。

以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。

位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。

2.伪距差分原理

伪距差分是目前用途最广的一种技术。

几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。

国际海事无线电委员会推荐的RTCMSC-104也采用了这种技术。

在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。

利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。

然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。

最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。

与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着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。

用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。

基准站R测得至GPS卫星j的伪距为：

其中p/j为基准站和第j颗GPS卫星之间的真实距离；

是GPS卫星星历误差所引起的距离偏差；

为接收机时钟相对于GPS时间系统的偏差；

是第j颗GPS卫星时钟相对于GPS时间系统的偏差；

为电离层时延所引起的距离偏差；

是对流层时延所引起的距离偏差；c为电磁波的传播速度。

根据基准站的已知坐标和GPS卫星星历，可以精确算得真实距离p/j，而伪距

是用基准站接收机测得的，则伪距的改正值

在基准接收机伪距测量的同时，动态接收机也对第j颗GPS卫星进行伪距测量，动态接收机所测得的伪距

如果基准站所测得的伪距改正值适时地发送给动态用户，并改正动态接收机所测得的伪距，亦即

当动态用户远离基准站在1000km以内时，则有

，

，

故（6-7）式变为：

其中

是基准/动态接收机的钟差之差所引起的距离偏差

如果基准/动态接收机各观测了4颗GPS卫星，则按（6-8）列出4个方程式，可解出4个未知数（Xk，Yk，Zk，△dr）。

3.载波相位差分原理

载波相位差分技术又称为RTK技术（realtimekinematics），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。

它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。

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：

修正法和差分法。

前者与伪距差分相同，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。

后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。

前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。

由载波相位观测方程得出动态差分方程：

假定动态用户的初始位置时已知的，则上式中的

便等于零。

若令式（6-10）的左边各项等于

，且式（6-10）两边乘以（C/ƒ），则变成：

（6-11）

当动态用户和基准站同时观测了4颗相同的GPS卫星时，则可得到三个值

，从而按上式列出三个方程式。

因为光速c和载波频率f是已知的，卫星的轨道位置（Xj,Yj,Zj　）和（

）可以按第四章的方法算得，故可按三个方程式解算出在t时刻动态用户位置估值（

）的改正数（

），从而实现了动态载波相位测量的目的。

当动态用户和基准站各用一台双频接收机进行载波相位测量时，低则可有效地提高动态定位的实时位置精度。

在此情况下，参照式（6-10）和式（6-11），则知载波L1和L2的剩余相位观测值为：

（6-12）

式中R为与频率无关的固定偏差。

经过电离层时延改正后的剩余相位为：

（6-13）

根据式（6-11）的解算方法，即可由上式算出载波相位双频观测后的动态用户位置估值的改正数。

6.2.2局部区域GPS差分系统

局域差分（LADGPS）是在局部区域内布设一个GPS差分网，网内由若干个差分GPS基准站组成，通常还包含至少1个监控站。

处于该局域内的用户可根据多个基准站提供的改正信息，经平差后求得自己的改正数。

它的作用距离一般在200~300km内，如我国沿海建设的信标差分网。

局域差分GPS技术通常采用加权平均法或最小方差法对来自多个基准站的改正信息进行平差，求出自己的坐标改正数或距离改正数。

6.2.3广域差分

广域差分（WideAreaDGPS,WADGPS）技术的基本思想是对GPS观测量的误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以"模型化"，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值（差分改正值），通过数据通讯链传输给用户，对用户GPS接收机的观测误差加以改正，以达到削弱这些误差源的影响，改善用户GPS定位精度的目的。

广域差分主要模型化以下三类GPS定位的误差源：

星历误差、大气延时误差、卫星钟差误差。

广域差分GPS系统的工作流程：

1）在已知的多个监测站上，跟踪观测GPS卫星的伪距、相位等信息；

2）监测站将所接受的信息全部传输到中心站；

3）中心站计算出三项误差改正；

4）将这些误差改正用数据通讯链传输给用户；

5）用户根据这些误差改正自己观测到的伪距、相位、星历等信息，计算出高精度结果。

广域差分GPS系统的特点：

1）用户的定位精度对空间距离的敏感程度比较小；

2）投资少，经济效益好；

3）定位精度较高，且分布均匀；

4）可扩展性好；

5）技术复杂，维护费用高；可靠性及安全性稍差。

广域差分GPS（WideAreaDifferentialGPS）主要是以应对美国军方实施的有意降低GPS民用精度的选择可用性（SA）政策为背景的一种大范围差分GPS技术。

近年来,广域差分GPS技术已发展成为GPS的主要应用之一,如美国联邦航空局（FAA）的广域增强系统（WAAS）、欧洲地球静止卫星导航重叠服务（EGNOS）、日本的多功能卫星增强系统（MSAS）,以及一些经营性公司等建立了不同形式的广域差分GPS系统。

广域差分GPS是利用分布在服务区内的参考站（网）监测全部可见GPS卫星,将监测数据通过通讯链传送至主站,主站用收集的数据计算出差分改正数和完好性信息,经格式编排后用通讯链路发播给服务区内的用户。

用户用接收到的广域差分数据改进GPS导航定位的精度。

广域差分GPS技术的实质是把伪距误差分离为卫星星历误差、卫星钟差和电离层误差,并产生相应的改正数。

用户利用广域差分改正数改正GPS伪距误差,以提高导航定位的精度。

广域差分GPS与局部差分GPS相比具有精度均匀、覆盖面广等技术特点。

广域差分GPS采用了误差分离技术,把伪距误差中与空间位置相关性最大的电离层延迟分离出来并实时传送给用户。

定位精度与用户到参考站的距离无关,克服了局部差分GPS中用户定位精