5.GPS差分定位基本原理詳解ppt課件

GPS差分定位基本原理 差分GPS定位方法 根據(jù)基準站已知精密坐標 計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù) 并由基準站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送 用戶不但接收GPS信號 同時也接收基準站的改正數(shù) 并對其定位結果進行改正 以提高定位精度 分為單基站差分 多基準站的局部區(qū)域差分和廣域差分 差分定位基本原理 基準站 移動目標 修正量 概述 差分GPS產生的誘因 絕對定位精度不能滿足要求GPS絕對定位的精度受多種誤差因素的影響 完全滿足某些特殊應用的要求美國的GPS政策對GPS絕對定位精度的影響 選擇可用性SA SA關閉前后GPS絕對定位精度的變化 概述 差分GPS DGPS DifferentialGPS 利用設置在坐標已知的點 基準站 上的GPS接收機測定GPS測量定位誤差 用以提高在一定范圍內其它GPS接收機 流動站 測量定位精度的方法RTCM 104格式 影響絕對定位精度的主要誤差 主要誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差大氣延遲 對流層延遲 對流層延遲 多路徑效應對定位精度的影響 PDOP PositionDilutionofPrecision 位置精度衰減因子 差分GPS的基本原理 誤差的空間相關性以上各類誤差中除多路徑效應均具有較強的空間相關性 從而定位結果也有一定的空間相關性 差分GPS的基本原理利用基準站 設在坐標精確已知的點上 測定具有空間相關性的誤差或其對測量定位結果的影響 供流動站改正其觀測值或定位結果差分改正數(shù)的類型距離改正數(shù) 利用基準站坐標和衛(wèi)星星歷可計算出站星間的計算距離 計算距離減去觀測距離即為距離改正數(shù) 位置 坐標改正數(shù) 改正數(shù) 基準站上的接收機對GPS衛(wèi)星進行觀測 確定出測站的觀測坐標 測站的已知坐標與觀測坐標之差即為位置的改正數(shù) 差分GPS對測量定位精度的改進 差分GPS的分類 根據(jù)時效性實時差分事后差分根據(jù)觀測值類型偽距差分載波相位差分根據(jù)差分改正數(shù)位置差分 坐標差分 距離差分根據(jù)工作原理和差分模型局域差分 LADGPS LocalAreaDGPS 單基準站差分多基準站差分廣域差分 WADGPS WideAreaDGPS 位置差分 距離差分 距離改正 坐標改正 位置差分 用戶接收到坐標改正數(shù)對其計算得到的坐標進行改正 經過坐標改正后的用戶坐標已經消去了基準站與用戶的共同誤差 如星歷誤差 大氣折射誤差 衛(wèi)星誤差 提高精度 位置差分GPS是一種最簡單的差分方法 安置在已知精確坐標基準站GPS接收機 利用數(shù)據(jù)鏈將坐標改正數(shù)發(fā)送給用戶 偽距差分 偽距差分時目前應用最為廣泛的一種差分定位技術 通過在基準站上利用已知坐標求出站星的距離 并將其與含有誤差的測量距離比較 并將測距誤差傳輸給用戶 用戶用此來對測距進行相應改正 但偽距差分很大程度上依賴兩站距離 隨著距離增加 其公共誤差減弱 如對流層 電離層 因此應考慮距離因素 位置差分和距離差分的特點 位置差分差分改正計算的數(shù)學模型簡單差分數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少基準站與流動站要求觀測完全相同的一組衛(wèi)星距離差分差分改正計算的數(shù)學模型較復雜差分數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較多基準站與流動站不要求觀測完全相同的一組衛(wèi)星 單基準站局域差分 結構基準站 一個 數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學模型 差分改正數(shù)的計算方法 提供距離改正和距離改正的變率特點優(yōu)點 結構 模型簡單缺點 差分范圍小 精度隨距基準站距離的增加而下降 可靠性低 多基準站局域差分 結構基準站 多個 數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學模型 差分改正數(shù)的計算方法 加權平均偏導數(shù)法最小方差法特點優(yōu)點 差分精度高 可靠性高 差分范圍增大缺點 差分范圍仍然有限 模型不完善 多基準站差分系統(tǒng)結構 廣域差分 結構基準站 多個 數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學模型 差分改正數(shù)的計算方法 與普通差分不相同普通差分是考慮的是誤差的綜合影響廣域差分對各項誤差加以分離 建立各自的改正模型用戶根據(jù)自身的位置 對觀測值進行改正特點優(yōu)點 差分精度高 差分精度與距離無關 差分范圍大缺點 系統(tǒng)結構復雜 建設費用高 位置差分原理 設已知基準站的精密坐標 x0 y0 z0 可求坐標改正數(shù) 用數(shù)據(jù)鏈發(fā)送出去 用戶接收機接收后改正 顧及用戶位置改正的瞬時變化 可得 用戶坐標中消去了基準站與用戶站的共同誤差 例如衛(wèi)星軌道誤差 SA影響 大氣影響等 優(yōu)點 計算簡單 適用各種GPS接收機 缺點 要求觀測同一組衛(wèi)星 近距離可做到 距離較長很難滿足 位置差分只適用于基準站與用戶站相距100km以內的情況 偽距差分原理 差分定位是相對定位的一種特殊應用 高精度相對定位采用的是載波相位測量定位 而差分定位則主要采用偽隨機碼偽距測量定位 其基本方法是 在定位區(qū)域內 于一個或若干個已知點上設置GPS接收機作為基準站 連續(xù)跟蹤觀測視野內所有可見的GPS衛(wèi)星偽距經與已知距離比對 求出偽距修正值 稱為差分修正參數(shù) 通過數(shù)據(jù)傳輸線路 按一定格式發(fā)播測區(qū)內的所有待定點接收機 除跟蹤觀測GPS衛(wèi)星偽距外 同時還接收基準站發(fā)來的偽距修正值 對相應的GPS衛(wèi)星偽距進行修正然后 用修正后的偽距進行定位 差分定位在基準站的支持下 利用差分修正參數(shù)改正觀測偽距大大消減衛(wèi)星星歷誤差 電離層和對流層延遲誤差及SA的影響 提高定位精度 實時定位精度可達10 15m 事后處理的定位精度可達3 5m差分定位需要數(shù)據(jù)傳播路線 用戶接收機要有差分數(shù)據(jù)接口一個基準站的控制距離約在200 300km范圍 偽距差分是目前用途最廣的一種差分技術 幾乎所有的商用差分GPS接收機均采用這種技術 已知基準站精密坐標和用星歷計算得到的某一時刻的衛(wèi)星坐標 可計算衛(wèi)星到基準站的真實距離 根據(jù)測量值可得偽距改正數(shù)及變化率 用戶的改正偽距即為 利用改正的偽距按觀測方程計算用戶坐標 優(yōu)點 偽距改正是在 坐標上進行的 得到的是直接改正數(shù) 所以可到達很高的精度 可提供改正數(shù)及變化率 所以在未得到改正數(shù)的空隙內能繼續(xù)精密定位 基準站提供所有衛(wèi)星改正數(shù) 用戶只需接收 顆衛(wèi)星信號 結構可簡單 缺點 與位置差分相似 偽距差分能將兩站公共誤差抵消但隨用戶到基準站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差 這種誤差用任何差分法都是不能消除的 基準站和用戶站間距離對偽距差分的精度有決定性影響 星歷提供的衛(wèi)星鐘與 時間不精確同步 衛(wèi)星實際位置和計算位置不一致兩地測量誤差始終有無法校正的剩余誤差 結論 用戶站和基準站距離越大 用 差分得到的位置精度越低 衛(wèi)星位置誤差與 差分誤差成正比關系 擴展偽距差分 廣域差分 在一個廣闊的地區(qū)內提供高精度的差分 服務 將若干基準站和主站組成差分 網 主站接收各個監(jiān)測站差分 信號 組合后形成擴展區(qū)域內的有效差分 改正電文 再把擴展 改正信號發(fā)送出去給用戶接收機 擴展偽距差分 廣域差分 廣域差分 的基本思想 對 觀測量的誤差源加以區(qū)分 將每一誤差源的數(shù)值通過數(shù)據(jù)鏈傳輸給用戶站 改正用戶站的 定位誤差引入電離層模型 對流層模型和衛(wèi)星星歷誤差估算 包括衛(wèi)星鐘差改正 擴展偽距差分 廣域差分 誤差集中表現(xiàn)為三方面 星歷誤差 擴展差分依賴區(qū)域精密定軌確定精密星歷取代廣播星歷 大氣時延誤差 電離層時延和對流層時延 廣域差分通過建立精密區(qū)域大氣時延模型 精確計算大氣時延量 改正模型衛(wèi)星鐘差誤差 廣域差分可計算出衛(wèi)星鐘各時刻的精密鐘表值 相位平滑偽距差分原理 偽距差分實際上是在測站之間求偽距觀測值的一次差 因而消除了兩偽距觀測值中所含有的共同的系統(tǒng)誤差 但是卻無法消除偽距觀測值中所含有的隨機誤差 從而限制了偽距差分定位的精度 載波相位測量的精度較測距碼偽距測量的精度高2個數(shù)量級 如果能用載波相位觀測值對偽距觀測值進行修正 就可提高偽距定位的精度 但是載波相位整周數(shù)無法直接測得 因而難以直接利用載波觀測值 相位平滑偽距差分原理 雖然整周數(shù)無法獲得 但可由多普勒頻率計數(shù)獲得載波相位的變化信息 即可獲得偽距變化率的信息 可利用這一信息來輔助偽距差分定位 稱為載波多普勒計數(shù)平滑偽距差分 另外 在同一顆衛(wèi)星的兩歷元間求差 可消除整周未知數(shù) 可利用歷元間的相位差觀測值對偽距進行修正 即所謂的相位平滑偽距差分 載波相位差分原理 差分GPS的出現(xiàn) 能實時給定裁體的位置 精度為米級 滿足不了引航 水下測量等工程的要求 位置差分 偽距差分 偽距差分相位平滑等技術已成功地用于各種作業(yè)中隨之而來的是更加精密的測量技術 載波相位差分技術 載波相位差分技術建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的 它能實時提供觀測點的三維坐標 并達到厘米級的高精度 載波相位差分原理 與偽距差分原理相同 由基準站通過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站 用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自基準站的載波相位 并組成相位差分觀測值進行實時處理 能實時給出厘米級的定位結果 實現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類 修正法 與偽距差分相同 基準站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站 以改正其載波相位 然后求解坐標 為準RTK技術 差分法 后者將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶進行求差解算坐標 為真正的RTK技術 載波相位實時動態(tài)差分技術 RTK RealTimeKinematic GPS技術 實時動態(tài) RealTimeKinematic RTK 差分測量系統(tǒng) 是GPS測量技術與數(shù)據(jù)傳輸技術相結合而構成的組合系統(tǒng) 它是GPS測量技術發(fā)展中的一個新的突破 RTK測量技術 是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS測量技術 RTK測量技術是準動態(tài)測量技術與AROTF算法和數(shù)據(jù)傳輸技術相結合而產生的 它完全可以達到 精度 速度 實時 可用 等各方面的要求 RTK RealTimeKinametic 實時動態(tài)差分 系統(tǒng)構成參考站 基準站 流動站數(shù)據(jù)鏈應用 數(shù)據(jù)鏈 1 概述差分GPS定位系統(tǒng)是由一個基準站和多個用戶臺組成 基準站與用戶臺之間的聯(lián)系 即由基準站計算出的改正數(shù)發(fā)送到用戶臺的手段是靠數(shù)據(jù)鏈完成的 數(shù)據(jù)鏈由調制解調器和電臺組成 調制解調器是將改正數(shù)進行編碼和調制 然后輸入到電臺上發(fā)射出去 用戶臺將其接收下來 并將數(shù)據(jù)解調后 送入GPS接收機進行改正 電臺是將調制后的數(shù)據(jù)變成強大的電磁波輻射出去 能在作用范圍內提供足夠的信號強度 使用戶臺能可靠地接收 發(fā)射頻率和輻射功率的選擇是數(shù)據(jù)鏈的重要問題 它視作用距離而定 根據(jù)已建立的各種無線電導航系統(tǒng)的發(fā)射頻率和作用距離 將通信設備分為直接波傳輸和地波傳輸兩大類 2 RS 232接口GPS接收機和調制解調器間通信一般采用它 3 調制解調器差分GPS數(shù)據(jù)鏈中常用的三種調制方式 FSK MSK和GMSK4 糾錯編碼是提高數(shù)字傳輸可靠性的一項技術 是正確傳輸差分GPS改正信號的重要手段 避免錯誤出現(xiàn)必須差錯控制 其關鍵是糾錯編碼 思想 一是譯碼糾錯 二是出錯反饋重發(fā)糾錯 1 前向糾錯FEC不需要反饋 適用于單向信道 譯碼設備復雜 2 檢錯重傳ARQ冗余碼少 譯碼簡單 需雙向信道 3 混合差錯控制HEC避免FEC譯碼復雜又不適應信道變化缺點 又克服ARQ信息連貫差通信效率低的缺點 4 信息反饋IRQ不用糾錯 檢錯編譯碼 有可能造成不必要的重復 衛(wèi)星導航差分系統(tǒng)由基準站 計算中心 通信鏈路和用戶設備組成 差分技術用于飛機進近和著陸 機場運行的最低標準分為著陸最低標準和起飛最低標準 而進場著陸是飛行中最為重要的階段在飛機進近階段尤其下滑著陸時 對定位精度的要求大幅度提高目前的衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用嚴格意義上的差分定位技術或載波相位測量技術 飛機的降落過程示意圖 差分GPS著陸系統(tǒng) 1 周跳產生接收機能記錄下初始時刻到任一觀測時刻的整周數(shù)記不足一周的小數(shù)部分 周跳就是由于衛(wèi)星信號的失鎖而使載波相位差觀測值中的整周計數(shù)所發(fā)生的突變 周跳產生情況 信號被障礙物暫時遮擋 接收機瞬時故障 周跳的探測與修復 整周跳變 周跳 CycleSlips 在某一特定時刻的載波相位觀測值為如果在觀測過程接收機保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤 則整周模糊度將保持不變 整周計數(shù)也將保持連續(xù) 但當由于某種原因使接收機無法保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤時 在衛(wèi)星信號重新被鎖定后 將發(fā)生變化 而也不會與前面的值保持連續(xù) 這一現(xiàn)象稱為整周跳變 產生周跳的原因 信號被遮擋 導致衛(wèi)星信號無法被跟蹤儀器故障 導致差頻信號無法產生衛(wèi)星信號信噪比過低 導致整周計數(shù)錯誤接收機在高速動態(tài)的環(huán)境下進行觀測 導致接收機無法正確跟蹤衛(wèi)星信號衛(wèi)星瞬時故障 無法產生信號 周跳的特點 只影響整周計數(shù) 周跳為波長的整數(shù)倍將影響從周跳發(fā)生時刻 歷元 之后的所有觀測值 周跳將使周跳發(fā)生后的所有觀測值包含相同的整周計數(shù)錯誤 依信號失鎖時間長短 周跳有兩種類型 一種為信號失鎖可能長達數(shù)分鐘或更長時間 因為該顆衛(wèi)星在失鎖期間 就不再有相位差觀測值 所以周跳容易識別 另一種信號失鎖可能發(fā)生在兩相鄰歷元之間 則在失鎖前后 每個歷元都有包括整數(shù)和小數(shù)部分的相位差觀測值 然而整周已發(fā)生突變 不相銜接 所出現(xiàn)的周跳可能小至1周 也可能大至數(shù)百周 解決周跳問題的方法 探測與修復設法找出周跳發(fā)生的時間和大小參數(shù)法將周跳標記出來 引入周跳參數(shù) 進行解算 周跳的出現(xiàn)和處理是載波相位測量中的重要問題 整周跳變的探測與修復常用的方法有下列幾種方法 1 屏幕掃描法 也就是手工編輯 2 衛(wèi)星間求差法3 多項式擬合法4 根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復整周跳變 解決周跳問題的方法 周跳的探測 修復方法 屏幕掃描法方法 人工在屏幕上觀察觀測值曲線的變化是否連續(xù) 特點費時 只能發(fā)現(xiàn)大周跳 由于原始的載波觀測值變化很快 通常觀察的是某種觀測值的組合 如 周跳的探測 修復方法 高次差法 周跳的探測 修復方法 續(xù) 高次差法的原理由于衛(wèi)星和接收機間的距離在不斷變化 因而載波相位測量的觀測值N0 Int Fr 也隨時間在不斷變化 但這種變化應是有規(guī)律的 平滑的 周跳將破壞這種規(guī)律性 對于GPS衛(wèi)星而言 當求至四次差時 其值已趨向于零 殘留的四次差主要是由接收機的鐘誤差等因素引起的 周跳的探測 修復方法 續(xù) 高次差法的問題接收機鐘差對此方法有效性的影響克服接收機鐘差影響的方法 衛(wèi)星間求差 周跳的探測 修復方法 續(xù) 高次差法的問題即使發(fā)現(xiàn)相位觀測值中存在數(shù)周的不規(guī)則變化 也很難判斷是否存在周跳 所以雙差觀測值被廣泛采用 周跳的探測 修復方法 多項式擬合法 為了便于用計算機計算 常采用多項式擬合的方法 即根據(jù)n個相位測量觀測值擬合一個n階多項式 據(jù)此多項式來預估下一個觀測值并與實測值比較 從而來發(fā)現(xiàn)周跳并修正整周計數(shù) 這種方法實質上和上面介紹的高次差法是相像的 但便于計算 周跳的探測 修復方法 續(xù) 多項式擬合法的應用特點由于四次差或五次差一般巳呈偶然誤差特性 無法再用函數(shù)來加以擬合 所以用多項式擬合時通常也只需取至4 5階即可 觀測值可以是真正的 非差 相位觀測值 也可以是經線性組合后的虛擬觀測值 單差觀測值和雙差觀測值 周跳的探測 修復方法 殘差法方法根據(jù)平差后的殘差 進行周跳的探測與修復特點可以發(fā)現(xiàn)小周跳 載波相位雙差觀測值的殘差圖 整周模糊度的確定 在載波相位觀測量為根據(jù)的精密定位中 初始整周模糊度的確定是定位的一個關鍵問題 只要整周模糊度確定了 只要同步觀測4顆衛(wèi)星 利用一個歷元也可定位 因此在載波相位測量中 如果能預先求解出整周模糊度 就可使觀測時段大大縮短 經典方法可能需要幾個小時 而快速方法可能只需要幾分鐘 經平差計算 求得的整周模糊度解為實數(shù)解 可實際整周數(shù)為整數(shù) 需要處理 整周未知數(shù) 整周模糊度 Ambiguity 確定整周未知數(shù)N0是載波相位測量的一項重要工作 常用的方法有下列幾種 1 偽距法2 經典方法 將整周未知數(shù)作為待定參數(shù)求解3 多普勒法 三差法 4 快速確定整周未知數(shù)法 整周模糊度的確定 1 偽距法偽距法是在進行載波相位測量的同時又進行了偽距測量 將偽距觀測值減去載波相位測量的實際觀測值 化為以距離為單位 后即可得到 N0 但由于偽距測量的精度較低 所以要有較多的觀測值取平均值后才能獲得正確的整波段數(shù) 整周模糊度的確定 2 經典方法把整周未知數(shù)當作平差計算中的待定參數(shù)來加以估計和確定 分兩種方法 1 整數(shù)解由于誤差影響 解得得整周未知數(shù)往往不是一個整數(shù) 然后將其固定為整數(shù) 并重新進行平差計算 也稱為固定解 fixedsolution 2 實數(shù)解當誤差消除得不夠完全時 整周未知數(shù)無法估計很準確 此時直接將實數(shù)解作為最后解 也稱為浮點解 floatingsolution 整周模糊度的確定 3 多普勒法 三差法 由于連續(xù)跟蹤的所有載波相位測量觀測值中均含有相同的整周未知數(shù) 所以將相鄰兩個觀測歷元的載波相位相減 就將該未知數(shù)消去 從而直接接觸坐標參數(shù) 這就是多普勒法 由于三差法可以消除許多誤差 所以使用較廣泛 整周模糊度的確定 4 快速確定整周位置數(shù)法1990年E Frei和G Beutler提出了快速模糊度 即整周未知數(shù) 解算法進行快速定位的方法 采用這種方法進行短基線定位時 利用雙頻接收機只需觀測一分鐘便能成功的確定整周未知數(shù) 整周模糊度的確定 靜態(tài)相對定位中常用的幾種方法 一 整數(shù)解 基本方法1 求初始解確定基線向量的實數(shù)解和整周未知數(shù)的實數(shù)解2 將整周模糊度固定為整數(shù)3 求固定解二 實數(shù)解 基線較長 誤差相關性減弱 初始解的誤差將隨之增大 從而使模糊度參數(shù)很難固定 整數(shù)化的意義不大 靜態(tài)相對定位中常用的幾種方法 待定參數(shù)法 經典方法1 取整法2 置信區(qū)間法XNi為模糊度的實數(shù)解mXNi s0 QNiNi 1 2為該參數(shù)的中誤差置信區(qū)間為 XNi b mXNi XNi b mXNi b xt f 2 根據(jù)自由度 f n u 和置信水平 1 從t分布的數(shù)值表中查取 如 f 2500 1 99 9 b 3 28整數(shù)解在置信區(qū)間之內 快速模糊度解算法 FARA 由瑞士的E Frei和G Beutler提出過程 快速模糊度解算法 FARA 1 搜索候選模糊度 根據(jù)P XNi XNAi bmXNi 1 XNi為模糊度的實數(shù)解XNAi為相應的候選整數(shù)解mXNi s0 qNiNi 1 2為該參數(shù)的中誤差b xt f 2 根據(jù)自由度 f n u 和置信水平 1 從t分布的數(shù)值表中查取 這樣將 XNi b mXNi XNi b mXNi 中的所有模糊度值挑選出來 構成很多候選模糊度組合 快速模糊度解算法 FARA 2 確定最優(yōu)整數(shù)模糊度組合 快速模糊度解算法 FARA 3 對備選模糊度組合進行數(shù)理統(tǒng)計檢驗1 互差檢驗 對XNAik XNAi XNAk進行檢核 P XNijk XNAik b mxNik 1 整數(shù)模糊度實數(shù)差 XNik XNi XNk i k 1 2 r i k 對應的候選整數(shù)模糊度差 XNAik XNAi XNAkmXNik s0 qNiNi 2qNiNk