04GPS定位原理

四、GPS定位原理4.4差分GPS测量原理•差分GPS的分类•根据系统构成的基准站个数：–单基准差分–多基准局部区域差分–多基准广域差分•根据信息的发送方式：–伪距差分–相位差分–位置差分广东工业大学GPS定位技术与应用1四、GPS定位原理•共同点：用户接收基准站发送的改正数，并对其测量结果进行改正，以获得精密定位的结果。•不同点：发送的改正数内容不同，定位精度不同，差分原理不同。广东工业大学GPS定位技术与应用2四、GPS定位原理4.4.1伪距差分原理•基准站是固定的，其坐标已知。利用该坐标，可以求出卫星到基准站的真实距离。•基准站又可以测量出卫星到基准站的伪距。•两项相减，得到伪距测量的测距误差，将每颗卫星的测距误差传输给用户。•用户用测距误差来改正自身的测量伪距，从而提高定位精度。广东工业大学GPS定位技术与应用3四、GPS定位原理广东工业大学GPS定位技术与应用4四、GPS定位原理•根据基准站i的已知坐标，和卫星j的卫星星历，计算两者的几何距离：•基准站i与卫星j之间测量的伪距为：广东工业大学GPS定位技术与应用5222()()()jjjjiiiiXXYYZZ()jjjjjjiiiiiicttITd卫星星历误差引起的距离偏差四、GPS定位原理•测量站测得的伪距与几何距离的差值：•把伪距的改正值发送给用户k，那么用户求得的经过改正的伪距为：广东工业大学GPS定位技术与应用6jjjiii伪距的改正值'jjjkki改正后的伪距未改正的伪距四、GPS定位原理•基准站上的伪距改正：用户站测得的伪距：•所以广东工业大学GPS定位技术与应用7()jjjiiijjjjiiiicttITd()jjjjjjkkkkkkcttITd'()[()]jjjkkijjjjjkkkkkjjjjiiiicttITdcttITd当基准站与用户站距离小于100km，两两相等四、GPS定位原理•因此，改正后用户站的伪距方程为：•基准站和测量站同时观测相同的4颗或4颗以上的卫星，最终实现用户站的定位。•计算方法：线性化、矩阵化、及最小二乘法。广东工业大学GPS定位技术与应用8222'()()()jjkkkijjjkkkictctXXYYZZcV两测站接收机钟差四、GPS定位原理•如果考虑数据传送的时间差，可以增加传送伪距改正数的时间变化率。•那么，用户站的改正后的伪距为：广东工业大学GPS定位技术与应用90'()jjjjikkidttdt伪距改正数的时间变化率四、GPS定位原理总结•差分定位利用两站公共误差的抵销来提高定位精度。•公共误差的相关性与两站距离有关，两站距离越大，误差的相关性（或称公共性）越小。•因此，用户距离基准站越远，定位的精度越低。广东工业大学GPS定位技术与应用10四、GPS定位原理4.4.2位置差分原理•位置差分是最简单的差分方法。•在基准站，真实坐标(X,Y,Z)已知。•通过观测4颗或以上的卫星，使用观测伪距求出基准站的坐标(X’,Y’,Z’)。•由于存在卫星星历、时钟误差、大气折射等误差影响，(X’,Y’,Z’)与(X,Y,Z)不一致，存在偏差。广东工业大学GPS定位技术与应用11四、GPS定位原理•求得的坐标与真实坐标的偏差为•把(X,Y,Z)作为坐标改正数。•基准站使用数据链路将坐标改正数发送给用户站。广东工业大学GPS定位技术与应用12'''XXXYYYZZZ四、GPS定位原理•在用户站，使用坐标改正数对观测坐标进行改正：广东工业大学GPS定位技术与应用13'''kkkkkkXXXYYYZZZ改正后的坐标值使用伪距测量计算得到的坐标值坐标改正数四、GPS定位原理•如果考虑数据传送的时间差，那么用户站位置的坐标写成–其中，t为用户站时刻，t0为基准站校正时刻。广东工业大学GPS定位技术与应用14000(')'()(')'()(')'()kkkkkkkkkdXXXXXttdtdYYYYYttdtdZZZZZttdt四、GPS定位原理•经过坐标改正，用户坐标已消除了基准站与用户站的共同误差，如卫星星历误差、大气折射误差、卫星钟差、SA政策影响等，提高了定位精度。•位置差分（坐标差分）的优点：–传输的差分改正数较少；–计算方法简单；–任何一种GPS接收机均可改装成这种差分系统。广东工业大学GPS定位技术与应用15四、GPS定位原理•位置差分的缺点：–要求基准站与用户站必须同步观测同一组卫星。由于基准站与用户站的接收机配备、观测环境不完全相同，有时难以保证同步观测同一组卫星，这会引起定位误差不匹配，影响定位精度。–坐标差分定位效果不如伪距差分。广东工业大学GPS定位技术与应用16四、GPS定位原理4.4.3载波相位差分原理•差分GPS也可以使用测相伪距差分——载波相位差分。•与伪随机码测距相比，载波相位测量的精度高（精度达到厘米级），但是观测时间比较长。广东工业大学GPS定位技术与应用17四、GPS定位原理•基本原理：–基准站对卫星进行连续观测，并通过无线电设备实时地把观测数据、测站坐标等信息传送给用户；–用户一方面接收GPS卫星信号，另一方面接收基准站传送的信息，根据相对定位原理进行数据处理，实现定位。广东工业大学GPS定位技术与应用18四、GPS定位原理•载波相位差分GPS的定位方法有两种：–改正法；•原理与伪距差分相同：基准站将载波相位的改正量发给用户，用户站对测量得到的载波相位进行改正。–求差法。•基准站把测量到的载波相位发送给用户，由用户站对观测值求差，进行坐标解算。广东工业大学GPS定位技术与应用19四、GPS定位原理1、改正法•卫星到测量站之间的相位差为：•等式两边乘以波长得广东工业大学GPS定位技术与应用2000()()jjjjiiiiNtNtt起始整周模糊度起始时刻至观测时刻的整周变化值相位测量的小数部分00[()()]jjjjiiiiNtNtt四、GPS定位原理•因为•所以广东工业大学GPS定位技术与应用210000[()()][()()]jjjjiiiijjjjkkkkNtNttNtNtt00000[()()][()()]()()jjjjjkikiijjjikijjjjkikijjiNtNtNttNttNt起始整周数之差载波相位测量差值四、GPS定位原理•基准站的伪距：•基准站的伪距改正数：广东工业大学GPS定位技术与应用22()jjjjjjiiiiiiicttITMV真实距离（利用基准站坐标求得）多径效应接收机噪声()jjjjjjjiiiiiiiicttITMV四、GPS定位原理•用基准站的伪距改正数对用户站进行修正•当基准站和用户站间距离小于30km广东工业大学GPS定位技术与应用23()()()()()jjjjjkikkikijjjjkikikicttIITTMMVV,jjjjkikiIITT四、GPS定位原理•因此•又因为•并令•所以广东工业大学GPS定位技术与应用24()()()jjjjjkikkikikicttMMVV222()()()jjjjkkkkXXYYZZ()()()jjkikikicttMMVV222()()()jjjjjkikkkXXYYZZ四、GPS定位原理•两式联立•得•五个未知数：Nj(t0),Xk,Yk,Zk,。广东工业大学GPS定位技术与应用25222()()()jjjjjkikkkXXYYZZ0()jjjjkiiNt0222()()()()jjijjjkkkNtXXYYZZ四、GPS定位原理•当起始整周未知数一旦确定，Nj(t0)就能确定，剩下4个未知数。通过在基准站和用户站同步观测相同的4颗卫星，就能列出4个方程，求出4个未知数，实现用户的定位。•快速求解起始整周未知数，是实现载波相位差分动态定位的关键。•不能通过增加观测卫星数来求起始整周未知数，因为每增加观测一颗卫星，就增加一个整周未知数。只能靠延长观测时间，增加观测历元数来求解。广东工业大学GPS定位技术与应用26四、GPS定位原理2、求差法•求差法是将基准站测得的载波相位观测值实时地发送给用户站。•在用户站对载波相位观测值求差，得到和静态相对定位类似的单差、双差、三差求解模型。•求解方法与4.3.2节的静态相对定位类似。广东工业大学GPS定位技术与应用27四、GPS定位原理4.5广域差分GPS•差分GPS按照基站个数可分为：–单基准站差分GPS–区域差分GPS（多基准站）–广域差分GPS（多基准站）广东工业大学GPS定位技术与应用28四、GPS定位原理4.5.1单基准站差分GPS•单基准站差分GPS是根据一个基准站所提供的差分改正信息对用户站进行改正的差分GPS系统。•该系统由基准站、无线电数据通讯链及用户站三部分组成。广东工业大学GPS定位技术与应用29四、GPS定位原理•1、基准站–位置已知，配备一台能同步跟踪视场内所有GPS卫星信号的接收机，–具备计算差分改正和编码功能的软件。•2、无线电数据通讯链–是一套无线电通讯设备，负责将编码后的差分改正信息传送给用户。–组成：基准站上的信号调制器、无线电发射机、发射天线；用户站的差分信号接收机和信号解调器。广东工业大学GPS定位技术与应用30四、GPS定位原理•3、用户站–可以根据不同的定位精度要求选择不同的接收机。•单基准站差分GPS系统的优点是：结构和算法简单。•不足之处：–定位精度随着用户和基准站距离的增加而迅速降低（误差的相关性减低了）。–可靠性较差（1、基准站可能发生故障；2、改正信息传输出错）广东工业大学GPS定位技术与应用31四、GPS定位原理4.5.2区域差分GPS系统•在一个较大的区域布设多个基准站，构成基准站网。•位于该区域的用户，根据多个基准站提供的改正信息，经过平差计算，求得用户站定位的改正数。•这种差分GPS定位系统称为具有多个基准站的区域差分GPS系统。广东工业大学GPS定位技术与应用32四、GPS定位原理•区域差分GPS提供改正数的方法有两种：1、各基准站发射各自的改正信息；–用户站接收到各基准站的改正量后，取加权平均作为用户站的改正数。其中，改正数的权，可根据用户站与基准站的相对位置来确定。–不足：应用了多个高速差分GPS数据流，要求多倍的通信带宽，效率较低。广东工业大学GPS定位技术与应用33四、GPS定位原理2、根据各基准站的分布，预先在网中构成以用户站与基准站相对位置为函数的改正数加权平均值模型，并将其统一发送给用户。–该方法不需要增加通信带宽，较为有效。•与单基准站差分GPS相比，区域差分GPS的可靠性和精度均有所提高。广东工业大学GPS定位技术与应用34四、GPS定位原理不足之处：•区域差分GPS的数据处理，是把各种误差的影响综合在一起进行改正。•然而，不同的误差对定位的影响特征是不同的。例如：–星历误差与用户站到基准站的距离成正比；–对流层延迟误差主要取决于用户站和基准站气象元素间的差别，不与距离成正比。•因此，将各种误差综合在一起，用一个统一的模式进行改正，存在不合理的因素，影响定位精度。广东工业大学GPS定位技术与应用35四、GPS定位原理4.5.3广域差分GPS系统•广域差分GPS将观测误差按不同来源，划分成星历误差、卫星钟差、大