高精度设备定位原理及测试方法

高精度设备定位原理及测试方法2018.09目录1GNSS定位原理2差分定位3星基增强/地基增强1.1GNSS定位原理GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)全球卫星导航系统----能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空间无线电导航定位系统。定位过程：空间星座部分的各颗GNSS卫星全天候向地面发射信号，用户设备通过接收、测量各颗可见卫星信号，并从信号中获取卫星的运行轨道信息，进而确定用户接收机自身的空间位置。站星距：计算过程：因为接收机时钟通常与卫星时钟不同步，所以接收机需要有4颗卫星的测量值，然后4个方程一并求解出x,y,z和接收机钟差(t)这4个未知数。1.1GNSS定位原理伪距观测方程：GPS卫星轨道电离层对流层1.1GNSS定位原理迭代求解1.2影响GNSS定位精度的因素定位过程中影响GNSS精度的因素：与卫星有关的误差：卫星星历误差、卫星钟差、卫星信号发射天线相位中心偏差等；与传播途径有关的误差：电离层延迟、对流层延迟和多径效应；与接收机有关的误差：接收机天线相位中心偏差、接收机内部噪声、接收机钟差。可消除的误差：与卫星有关的误差可完全消除；与传播途径有关的误差可部分消除；与接收机有关的误差不可消除。1.3如何消除误差有没有一种定位方式能减少定位误差，来提高GNSS定位精度？差分GNSS，也称为DGNSS（D:Differential）;基本思想：消除公共误差项；基本方法：利用已知位置点测量到的偏差，来改正其他未知位置点的测量偏差。2.1差分定位原理2.1差分定位原理差分定位：根据基准站已知精密坐标，计算出差分改正数，并由基准站将这一改正数发送。GNSS终端不但接收GNSS卫星信号，同时也接收基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，以提高定位精度。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。2.2差分定位分类根据时效性实时差分事后差分根据差分改正数的类型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2.2.1位置差分位置差分GPS是一种最简单的差分方法。安置在已知精确坐标基准站GPS接收机，利用数据链将坐标改正数发送给用户。用户接收到坐标改正数对其计算得到的坐标进行改正。经过坐标改正后的用户坐标已经消去了基准站与用户的共同误差，如星历误差、大气折射误差、卫星误差，提高精度。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。2.2.2距离差分/伪距差分伪距差分是通过在基准站上利用已知坐标求出站星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，并将测距误差传输给用户，用户用此来对测距进行相应改正。但伪距差分很大程度上依赖两站距离，随着距离增加，其公共误差减弱，如对流层、电离层，因此应考虑距离因素。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。2.2.3载波相位差分载波相位差分技术建立在实时处理两个测站的载波相位基础上。能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。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流动站。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。载波相位是指在同一接受时刻基准站接收的卫星信号的相位相对于接收机产生的载波信号相位的测量值。2.2.3载波相位差分载波相位测量原理：若某卫星S发出一载波信号，该信号向各处传播。在某一瞬间，测得该信号在接收机R处的相位和在卫星S处的相位。并求站星距。GPS卫星并不测量载波相位，但只要接收机钟与卫星钟能保持严格同步，且选用同一起算时刻，那么就能用接收机所产生的基准振荡信号(复制的载波)去取代卫星所产生的载波。在这种情况下,任一时刻在接收机处的基准振荡信号的相位都等于卫星处的载波相位。求站星距。2.2.3载波相位差分理想情况实际情况2.2.3载波相位差分实现载波相位差分的方法分为两类：修正法：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。为准RTK技术．差分法：将基准站采集的载波相位发送给用户进行求差解算坐标。为真正的RTK技术。2.2.4载波相位实时动态差分技术—RTK实时动态（RealTimeKinematic——RTK）差分测量系统，是GNSS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。它是GNSS测量技术发展中的一个新的突破。RTK测量技术，是以载波相位观测量为根据的实时差分GNSS测量技术。RTK测量技术是准动态测量技术与AROTF算法和数据传输技术相结合而产生的，它完全可以达到“精度、速度、实时、可用”等各方面的要求。RTK构成：参考站（基准站），流动站，数据链。2.2.4载波相位实时动态差分技术—RTK观测方程—相位2.2.4载波相位实时动态差分技术—RTK单差：站间一次差分消除了卫星钟差影响，削弱了电离层折射影响，削弱了对流层折射影响，削弱了卫星轨道误差的影响双差：站间、星间各求一次差（共两次差）消除了接收机钟差的影响三差：站间、星间和历元间各求一次差（三次差）消去了整周未知数参数2.2.4载波相位实时动态差分技术—RTK2.2.5伪距差分和载波相位差分比较由于信号量测精度一般优于波长的1/100，所以载波的测量精度远远高于伪随机码不足：载波是一种没有任何标记的余弦波，而用接收机中的来量测载波相位时能测定的只是不足一周的部分，因而会产生整周数不确定的问题。此外,整周计数部分还可能产生跳变的问题,故在进行数据处理前，还需进行整周跳变的探测和修复工作，使得载波相位测量的数据处理工作变得较为复杂、麻烦。2.2.6局域差分/广域差分局域差分（LADGNSS–LocalAreaDGNSS）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；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。广域差分（WADGNSS–WideAreaDGNSS）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。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3.1地基增强地基增强GBAS（ground-basedaugmentationsystems）：作为导航应用的核心，北斗地基增强系统由基准站网络、数据处理系统、运营服务平台、数据播发系统和用户终端五部分组成。基准站接受卫星导航信号后，通过数据处理系统形成相应信息，经由卫星、广播、移动通信等手段实时播发给应用终端，实现定位服务。地基增强系统是指参考站位于地面的对于GNSS进行功能增强的运行系统，主要可分为两类。A差分型的均基于差分原理使得接收机获得更高的定位精度，系统间具有很大的相似性。B伪卫星和Locata则发送具有与GNSS信号相同功能的信号，与GNSS不同的是系统工作在地面，可以减弱和消除GNSS中存在的许多误差。3.1地基增强差分型：广域增强系统（WAAS），局域增强系统（LAAS），联合精密进近系统（JPALS）和连续运行卫星定位服务综合系统（CORS）。伪卫星：1)伪卫星辅助定位。伪卫星可以提供导航信息。弥补GNSS卫星数目的不足，对GNSS的辅助增强改善了定位系统的可靠性和完好性。2)伪卫星独立定位。在环境十分恶劣的情况下，导航卫星可能完全不可见，这时可以采用若干颗伪卫星组成导航星座，独立地进行导航和定位。Locata：由澳大利亚的Locata公司研制的一种既能增强GPS定位又可独立进行定位的高精度定位系统。3.2星基增强星基增强（SBAS：Satellite-BasedAugmentationSystem）：星基增强系统是卫星导航系统建设的重要组成部分，利用地球同步轨道卫星（GEO）搭载增强信号载荷，向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等修正误差和完好性数据，实现原有卫星导航系统定位精度的改进。系统组成：监测接收机、中央处理设施、卫星上行设施和多颗地球同步轨道卫星。工作原理：先由大量分布极广的广域基准站（WRS）对导航卫星进行监测，获得原始定位数据（伪距、卫星播发相位等）并送至中央处理设施（WMS），后者通过计算得到各卫星的各种定位修正信息，通过上行注入站（GES）发给GEO卫星，该卫星将这些修正信息播发给广大用户，这样用户就能得到改正信息进行精确定位。星基增强系统：美国广域增强系统（WAAS）、俄罗斯差分校正和监测系统（SDCM）、欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS）、日本多功能星基增强系统（MSAS）、印度GPS辅助静地轨道增强导航系统（GAGAN）。我国没有专门列出星基增强系统，但是星基增强已经具备实际工作的能力（赤道静止地球卫星）。END