差分定位原理(精)

相对定位原理•相对定位–确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。•使用观测值–载波相位（L1、L2载波）–原因：•载波波长比较短，测量精度高。•不同载波相位观测量的组合可以消除或削弱误差。•定位结果–与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）及其精度信息•采用广播星历时属WGS-84•采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrame相对定位原理•精度水平：–广播星历：10-7-10-6–精密星历：10-9-10-8•应用–相对定位是目前GNSS定位中精度最好的一种定位方法，广泛的应用于大地测量、精密工程测量。相对定位原理•特点–优点：定位精度高–缺点：•多台接收共同作业，作业复杂•数据处理复杂•不能直接获取绝对坐标相对定位原理•载波相位测量的观测方程PAPPPPPAAtAiontropAtAAPffffVfVNVVccc为便于表示，把测站对卫星的观测方程记为：SRiiiitiontropitiNcVcVVVRSittiontropiiVVVV：只与接收机有关：只与卫星有关、：与信号传播的路径有关，距离较近时有很强的相关性SRiiiitiontropitifffNfVfVVVccc两边同时除以相对定位原理•相对定位的类型–同类型同频率观测值的线性组合单差双差三差–同类型不同频率观测值的线性组合（了解）宽巷窄巷相对定位原理•求差的方法–单差形式在接收机（测站）间求差在卫星间求差在历元间求差–二次差形式在接收机和卫星间求二次差在接收机和历元间求二次差在卫星和历元间求二次差–三次差形式在接收机、卫星和历元间求三次差相对定位原理•单差–不同观测站（接收机）观测相同卫星所得观测量之差。相对定位原理•单差数学表达PAPBBAPPPPPAAtAiontropAtAPPPPPBBtBiontropBtBPPPPPPPPBABAttBAionionBAPPtroptropBAPABABABPffffVfVNVVcccffffVfVNVVcccfffVVNNVVccfVVcfc测站、对卫星的观测方程为：上面两个式子相减即得：简写为：ABPPPPtABiontropABABfffVNVVcc相对定位原理•双差–不同观测站同步观测同一组卫星，所得单差观测值之差。相对定位原理•双差数学表达ABABPPPPPABABtABiontropABABqqqqqABABtABiontropABABpqpqpqpqpqABABABiontropABABpABABpqffffVNVVcccffffVNVVcccfffNVVccc测站、对卫星、的单差观测方程为：上面两式子相减得到：在两个测站距离较近时，电离层和对流层可以认为已经差掉qpqpqABABfNc相对定位原理•三差–不同历元同步观测同一组卫星所得双差观测量之差。二、相对定位原理•三差数学表达11111222222121212pqpqpqpqpqABABABiontropABABpqpqpqpqpqABABABiontropABABpqpqpqpqpqpqABABABABionionABABpqtropABffftttNVtVtcccffftttNVtVtcccffttttVtVtccfVtc时刻：时刻：1pqtropABVt相对定位原理•采用差分观测值的缺陷–数据利用率低•只有同步数据才能进行差分–引入基线矢量替代了位置矢量–差分观测值间具有了相关性，使处理问题复杂化•参数估计时，观测值的权阵–某些参数无法求出•某些信息在差分观测值中被消除相对定位原理•􀂃位置差分原理•位置差分GPS是一种最简单的差分方法。安置在已•知点基准站上的GPS接收机，经过对4颗及4颗以上的卫星•观测，便可实现定位。先求出基准站的坐标(X′，Y′，•Z′)，由于存在着卫星星历、时钟误差、大气折射等误•差的影响，该坐标与已知基准站坐标(X，Y，Z)不一样，•存在误差。即：•式中：ΔX、ΔY、ΔZ为坐标改正数，基准站利用数据链•将坐标改正数发送给用户站。相对定位原理•位置差分原理•用户站用接收到的坐标改正数对其坐标进行改正：•经过坐标改正后的用户坐标已消去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，提高了定位的精度。相对定位原理•位置差分的优点是需要传输的差分改正数较少，•计算方法较简单，任何一种GPS接收机均可改装成这种差分系统。其缺点主要为：•（1)要求基准站与用户站必须保持观测同一组卫•星，由于基准站与用户站接收机配备的不完全相同，且两站观测环境也不完全相同，因此难以保证两站观测同一组卫星，并会导致定位所产生的误差可能会不很匹配，从而影响定位精度。•（2)位置差分定位效果不如伪距差分好相对定位原理•伪距差分原理•伪距差分是目前应用最广泛的一种差分定位技术之一。该定位技术通过在基准站上利用已知坐标求出测站至卫星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，然后利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差，并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求出自身的坐标。如果基准站、用户站均观测了相同的4颗或4颗以上的卫星，即可实现用户站的定位。相对定位原理•伪距差分原理•其定位基本公式如下：相对定位原理•由于伪距差分可提供单颗卫星的距离改正数δDi，因此用户站可选其中任意4颗相同卫星的伪距改正数进行改正，而不必要求两站观测的卫星完全相同，且伪距改正数是直接在WGS-84坐标系上进行的，是一种直接改正数，不必先变换为当地坐标，定位精度更高，且使用更方便。相对定位原理•由于伪距差分定位依赖于两站公共误差的抵消来提高定位精度，误差抵消的程度决定了精度的高低。而误差的公共性在很大程度依赖于两站距离，随着两站距离的增加，其误差公共性逐渐减弱，例如对流层、电离层误差。因此用户和基准站之间的距离对精度有着决定性的影响，用户站离基准站的距离越大，伪距差分后的剩余误差越大，定位精度越低。相对定位原理相位平滑伪距差分•相位平滑伪距差分原理•伪距差分实际上是在测站之间求伪距观测值的一次差，因而消除了两伪距观测值中所含有的共同的系统误差，但是却无法消除伪距观测值中所含有的随机误差，从而限制了伪距差分定位的精度。•载波相位测量的精度较测距码伪距测量的精度高2个数量级，如果能用载波相位观测值对伪距观测值进行修正，就可提高伪距定位的精度，但是载波相位整周数无法直接测得，因而难以直接利用载波观测值。相位平滑伪距差分•相位平滑伪距差分原理•虽然整周数无法获得，但可由多普勒频率计数获得载波相位的变化信息，即可获得伪距变化率的信息，可利用这一信息来辅助伪距差分定位，称为载波多普勒计数平滑伪距差分；•另外，在同一颗卫星的两历元间求差，可消除整周未知数，可利用历元间的相位差观测值对伪距进行修正，即所谓的相位平滑伪距差分。载波相位差分•载波相位差分原理•载波相位差分GPS定位与伪距差分GPS原理相类似，其基本思想是：在基准站上安置一台GPS接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电传输设备实时地将观测数据及站坐标信息传送给用户站；用户站一方面通过接收机接收GPS卫星信号，同时还通过无线电接收设备接收基准站传送的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地处理数据，并能实时地以厘米级的精度给出用户站的三维坐标。载波相位差分•载波相位差分原理•载波相位差分GPS有两种定位方法，一种与伪距差分相同，基准站将载波相位的修正量发送给用户站，以对用户站的载波相位进行改正实现定位，该方法称为修正法。•另一种是将基准站的载波相位发送给用户站，并由用户站将观测值求差进行坐标解算，这种方法称为求差法。•5、整周未知数的动态求解•􀂃最小二乘搜索法•􀂃最小二乘模糊度不相关法（LAMBDA）•􀂃模糊度函数法•􀂃综合法（AOTF）载波相位实时动态差分技术•6、载波相位实时动态差分技术•——RTK（RealTimeKinematic）GPS技术实时差分动态（RealTimeKinematic——RTK）测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。它是GPS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GPS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•RTK–RealTimeKinametic（实时动态差分）•􀂃系统构成•􀂃参考站（基准站）•􀂃流动站•􀂃数据链•􀂃应用广域差分GPS技术•三、广域差分GPS技术•􀂃差分GPS系统与单站差分GPS（SRDGPS）•􀂃局部区域差分（LADGPS）•􀂃广域差分GPS系统（WADGPS）•􀂃增强型的差分GPS系统DGPS•1、什么是差分GPS（DGPS–DifferentialGPS）•基本思路：利用设于坐标已知的参考站，计算各类改正数􀂃•影响GPS测量定位的误差DGPS•误差的特性•􀂃卫星轨道误差：影响大小与测站位置有关，距离较近时，影响大小相近（误差的空间位置相关性）•􀂃卫星钟差：影响大小与测站无关•􀂃大气折射（电离层、对流层折射）：影响具有空间位置相关性•􀂃SA：Epsilon可以归于卫星轨道误差，Dither可归于卫星钟差•􀂃多路径：与测站有关，测站间无关DGPS•􀂃差分GPS•􀂃基准站（Reference/BaseStation）与流动站•（Mobile/RoverStation）•􀂃差分改正数DGPS•􀂃差分GPS系统的构成局域差分与广域差分差分•2、局域差分与广域差分差分•􀂃局域差分•􀂃局域差分GPS（LADGPS–LocalAreaDGPS）•􀂃基准站作用距离：数百公里•􀂃特点：用户根据多个基准站所提供的改正信息经平差计算后求的用户站定位改正数局域差分与广域差分差分•广域差分GPS（WADGPS–WideAreaDGPS）•基准站作用距离：数千公里•特点：将各项误差分离出来，建立误差与位置的关系•——分离出的误差：卫星轨道、卫星钟差•——建立误差与位置的关系模型：大气折射增强型的差分GPS系统•3、增强型的差分GPS系统•􀂃增强型的差分GPS系统•􀂃伪卫星（Pseudolites）•􀂃LAAS–局域增强系统•􀂃LocalAreaAugmentationSystem•􀂃应用领域：机场，着陆系统•􀂃WAAS–广域增强系统•􀂃WideAreaAugmentationSystem•􀂃连续运行参考站（CORS）