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GPS是一種高精度衛星定位導航系統。實際上是在一個測站對兩個目標的觀測量、兩個測站對一個目標的觀測量或一個測站對一個目標的兩次觀測量之間進行求差。其目的在於消除公共項,包括公共誤差 和公共參數。在以前的無線電定位系統中已被廣泛地應用。

差分GPS(DGPS,differential GPS-DGPS)就是首先利用已知精確三維坐標的差分GPS基準台,求得偽距修正量或位置修正量,再將這個修正量實時或事後發送給用戶(GPS導航儀),對用戶的測量數據進行修正,以提高GPS定位精度差分技術很早就被人們所應用。它實際上是在一個測站對兩個目標的觀測量、兩個測站對一個目標的觀測量或一個測站對一個目標的兩次觀測量之間進行求差。其目的在於消除公共項,包括公共誤差 和公共參數。在以前的無線電定位系統中已被廣泛地應用。


差分GPS定位原理

是一種高精度衛星定位導航系統。在實驗期間,它能給出高精度的定位結果。這時儘管有人提出利用差分技術來進一步提高定位精度,但由於用戶要求還不迫切,所以這一技術發展較慢。隨著 GPS技術的發展和完善,應用領域的進一步開拓,人們越來越重視利用差分GPS技術來改善定位性能。它使用一台 GPS基準接收機和一台用戶接收機,利用實時或事後處理技術,就可以使用戶測量時消去公共的誤差源 —電離層和對流層效應。特別提出的是,當GPS工作衛星升空時,美國政府實行了SA政策。使衛星的軌道參數增加了很大的誤差,致使一些對定位精度要求稍高的用戶得不到滿足。因此,現在發展差分GPS技術就顯得越來越重要。


  GPS定位是利用一組衛星的偽距、星曆、衛星發射時間等觀測量來實現的,同時還必須知道用戶鐘差。因此,要獲得地面點的三維坐標,必須對4顆衛星進行測量。


  在這一定位過程中,存在著三部分誤差。一部分是對每一個用戶接收機所公有的,例如,衛星鐘誤差、星曆誤差、電離層誤差、對流層誤差等;第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差;第三部分為各用戶接收機所固有的誤差,例如內部雜訊、通道延遲、多徑效應等。利用差分技術,第一部分誤差完全可以消除,第二部分誤差大部分可以消除,其主要取決於基準接收機和用戶接收機的距離,第三部分誤差則無法消除。


  除此以外,美國政府實施了SA政策,其結果使衛星鐘差和星曆誤差顯著增加,使原來的實時定位精度從15m降至100m。在這種情況下,利用差分技術能消除這一部分誤差,更顯示出差分GPS的優越性根據差分GPS基準站發送的信息方式可將差分GPS定位分為三類,即:位置差分、偽距差分和相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的,即都是由基準站發送改正數,由用戶站接收並對其測量結果進行改正,以獲得精確的定位結果。所不同的是,發送改正數的具體內容不一樣,其差分定位精度也不同。1. 位置差分原理


  這是一種最簡單的差分方法,任何一種GPS接收機均可改裝和組成這種差分系統。


  安裝在基準站上的GPS接收機觀測4顆衛星后便可進行三維定位,解算出基準站的坐標。由於存在著軌道誤差、時鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應以及其他誤差,解算出的坐標與基準站的已知坐標是不一樣的, 存在誤差。基準站利用數據鏈將此改正數發送出去,由用戶站接收,並且對其解算的用戶站坐標進行改正。


  最後得到的改正後的用戶坐標已消去了基準站和用戶站的共同誤差,例如衛星軌道誤差、 SA影響、大氣影響等,提高了定位精度。以上先決條件是基準站和用戶站觀測同一組衛星的情況。 位置差分法適用於用戶與基準站間距離在100km以內的情況。


  2. 偽距差分原理 偽距差分是目前用途最廣的一種技術。幾乎所有的商用差分GPS接收機均採用這種技術。國際海事 無線電委員會推薦的RTCM SC-104也採用了這種技術。


  在基準站上的接收機要求得它至可見衛星的距離,並將此計算出的距離與含有誤差的測量值 加以比較。利用一個α-β濾波器將此差值濾波並求出其偏差。然後將所有衛星的測距誤差傳輸 給用戶,用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最後,用戶利用改正後的偽距來解出本身的位置, 就可消去公共誤差,提高定位精度。


  與位置差分相似,偽距差分能將兩站公共誤差抵消,但隨著用戶到基準站距離的增加又 出現了系統誤差,這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準站之間的距離對精度有決定性影響。


  3. 載波相位差分原理 測地型接收機利用GPS衛星載波相位進行的靜態基線測量獲得了很高的精度(10~10)。 但為了可靠地求解出相位模糊度,要求靜止觀測一兩個小時或更長時間。這樣就限制了在工程作業中的應用。於是探求快速測量的方法應運而生。例如,採用整周模糊度快速逼近技術(FARA)使基線觀測 時間縮短到5分鐘,採用准動態(stop and go),往返重複設站(re-occupation)和動態(kinematic) 來提高GPS作業效率。這些技術的應用對推動精密GPS測量起了促進作用。但是,上述這些作業方式都是事後進行數據處理, 不能實時提交成果和實時評定成果質量,很難避免出現事後檢查不合格造成的返工現象。


  差分GPS的出現,能實時給定載體的位置,精度為米級,滿足了引航、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於各種作業中。隨之而來的是更加精密的測量技術 — 載波相位差分技術。


  載波相位差分技術又稱為RTK技術(real time kinematic),是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,並達到厘米級的高精度。


  與偽距差分原理相同,由基準站通過數據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衛星的載波相位 與來自基準站的載波相位,並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。


  實現載波相位差分GPS的方法分為兩類:修正法和差分法。前者與偽距差分相同,基準站將載波相位修正量發送給用戶站,以改正其載波相位,然後求解坐標。後者將基準站採集的載波相位發送給 用戶台進行求差解算坐標。前者為準RTK技術,後者為真正的RTK技術


載波相位差分原理


      測地型接收機利用GPS衛星載波相位進行的靜態基線測量獲得了很高的精度(10-6~10-8)。 但為了可靠地求解出相位模糊度,要求靜止觀測一兩個小時或更長時間。這樣就限制了在工程作業中的應用。於是探求快速測量的方法應運而生。例如,採用整周模糊度快速逼近技術(FARA)使基線觀測 時間縮短到5分鐘,採用准動態(stop and go),往返重複設站(re-occupation)和動(kinematic) 來提高GPS作業效率。這些技術的應用對推動精密GPS測量起了促進作用。但是,上述這些作業方式都是事後進行數據處理, 不能實時提交成果和實時評定成果質量,很難避免出現事後檢查不合格造成的返工現象。 


  差分GPS的出現,能實時給定載體的位置,精度為米級,滿足了引航、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於各種作業中。隨之而來的是更加精密的測量技術 — 載波相位差分技術。 


  載波相位差分技術又稱為RTK技術(real time kinematic),是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,並達到厘米級的高精度。 


  與偽距差分原理相同,由基準站通過數據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衛星的載波相位 與來自基準站的載波相位,並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。 


  實現載波相位差分GPS的方法分為兩類:修正法和差分法。前者與偽距差分相同,基準站將載波相位修正量發送給用戶站,以改正其載波相位,然後求解坐標。後者將基準站採集的載波相位發送給 用戶台進行求差解算坐標。前者為準RTK技術,後者為真正的RTK技術。

綜述
  根據差分GPS基準站發送的信息方式可將差分GPS定位分為三類,即:位置差分、偽距差分和相位差分。   差分GPS (DGPS)是在正常的GPS外附加(差分)修正信號,此改正信號改善了GPS的精度。   這三類差分方式的工作原理是相同的,即都是由基準站發送改正數,由用戶站接收並對其測量結果進行改正,以獲得精確的定位結果。所不同的是,發送改正數的具體內容不一樣,其差分定位精度也不同。
位置差分原理
  這是一種最簡單的差分方法,任何一種GPS接收機均可改裝和組成  GPS差分定位原理
這種差分系統。   安裝在基準站上的GPS接收機觀測4顆衛星后便可進行三維定位,解算出基準站的坐標。由於存在著軌道誤差、時鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應以及其他誤差,解算出的坐標與基準站的已知坐標是不一樣的, 存在誤差。基準站利用數據鏈將此改正數發送出去,由用戶站接收,並且對其解算的用戶站坐標進行改正。   最後得到的改正後的用戶坐標已消去了基準站和用戶站的共同誤差,例如衛星軌道誤差、 SA影響、大氣影響等,提高了定位精度。以上先決條件是基準站和用戶站觀測同一組衛星的情況。位置差分法適用於用戶與基準站間距離在100km以內的情況。
偽距差分原理
  偽距差分是目前用途最廣的一種技術。幾乎所有的商用差分GPS接收機均採用這種技術。國際海事 無線電委員會推薦的RTCM SC-104也採用了這種技術。   在基準站上的接收機要求得它至可見衛星的距離,並將此計算出的距離與含有誤差的測量值 加以比較。利用一個α-β濾波器將此差值濾波並求出其偏差。然後將所有衛星的測距誤差傳輸給用戶,用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最後,用戶利用改正後的偽距來解出本身的位置, 就可消去公共誤差,提高定位精度。   與位置差分相似,偽距差分能將兩站公共誤差抵消,但隨著用戶到基準站距離的增加又 出現了系統誤差,這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準站之間的距離對精度有決定性影響。

1 GPS差分原理 -演算法

  GPS定位是利用一組衛星的偽距、星曆、衛星發射時間等觀測量和用戶鐘差來實現的。要獲得地面的三維坐標,必須對至少4顆衛星進行測量。在這一定位過程中,存在3部分誤差:    第一部分誤差是由衛星鐘誤差、星曆誤差、電離層誤差、對流層誤差等引起的;   第二部分是由傳播延遲導致的誤差;    第三部分為各用戶接收機固有的誤差,由內部雜訊、通道延遲、多路徑效應等原因造成。   利用差分技術,第一部分誤差可以完全消除;第二部分誤差大部分可以消除,消除程度主要取決於基準接收機和用戶接收機的距離;第三部分誤差則無法消除。   下面,我們主要介紹消除由於電離層延遲和對流層延遲引起的誤差的演算法。在演算法中使用的時間系統為GPS時,坐標系統為WGS-84坐標系。   1.消除電離層誤差的演算法   我們主要通過電離層網格延遲演算法來獲得實際的電離層延遲值,以消除電離層誤差。具體過程如下:解算星曆,得出衛星位置→求電離層穿透點位置→求對應網格點→求網格4個頂點的電離層延遲改正數→內插獲得穿透點垂直延遲改正數→求穿透點的實際延遲值。   2.衛星位置的計算   解算出星曆數據后,加入星曆修正和差分信息,便可計算出衛星位置。   從GPS OEM板接收到的是二進位編碼的星曆數據流,必須按照本文前面部分列出的數據結構解算星曆數據,再依據IEEE-754標準將其轉換為十進位編碼的數據。在這裡,需要解算的參數有:軌道長半軸的平方根(sqrta)、平近點角改正(dn)、星曆表基準時間(toe)、toe時的平近點角(m0)、偏心率(e)、近地點角距(w)、衛星軌道攝動修正參數(cus CUC cis cic crs crc)、軌道傾角(i0)、升交點赤經(omg0)、升交點赤經變化率(odot)。

2 GPS差分原理 -信標差分系統原理

   GPS信標差分系統實際上就是差分系統,只是信標差分系統不需要用戶自己架設基準站,因為考慮到實時差分系統未來的需要,國家交通部海監局在中國沿海從南到北沿海岸線建立了20個信標台站(也就相當於差分系統的基準站),這些信標站24小時發送RTCM差分校正信息,而且不收任何費用,其傳輸的距離是:在內陸是300KM的覆蓋範圍,在海上是500KM的覆蓋範圍。用戶端只需要一台移動站的GPS就可以實現高精度的實時定位。

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