gps差分原理及应用

1 1. 差分GPS概念与定位原理    差分是提高GPS定位精度的有效途径。差分GPS最早应用于导航用户，所以通常意义下的差分GPS是针对用伪距进行定位的动态用户。而对用相位进行定位的动态用户，采用差分技术时人们称之为RTK（real time kinematic）。通过差分的手段把影响定位精度的某些误差消除或减弱，从而提高了导航精度。要使用差分GPS技术通常需要两台以上接收机，其中至少一台安置在已知坐标的点上（称为基准站或参考站），待定点称为差分站或用户站。计算基准站的接收数据产生差分改正数通过数据链发送到用户站。用户站利用差分改正数，可以提高其定位精度。 差分GPS按所采用的技术不同可以分为局部差分和广域差分。 局部差分：对影响定位的卫星星历误差、卫星钟差（含SA影响）、大气影响以及其他误差不进行误差分离，产生的差分改正数是多个误差的总影响（标量改正数）。由于有些误差的空间相关性，用户站到基准站的距离不能太远（小于100公里）。局部差分有单（基准）站和多（基准）站之分，但采用的技术是相同的，根据发送的改正数不同分为位置差分和伪距差分。 广域差分：对影响定位的卫星星历误差、卫星钟差（含SA影响）、大气影响以及其他误差进行误差分离，产生的差分改正数包括卫星星历改正、卫星钟差改正和电离层延迟改正（矢量改正数）。由于空间相关性强的电离层延迟改正已分离为一个独立的改正数，用户站到基准站的距离可以大大增加（达800公里）。 下面介绍常用的位置差分原理、伪距差分原理和相位差分原理。 2. 位置差分原理     这是一种最简单的差分方法，也是最早采用一种差分技术，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。     安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多路径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的， 存在误差。把基准站解算坐标与已知坐标的差值作为改正数通过数据链发送出去，由用户站接收。用户站对其解算的坐标进行改正。     最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、 SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。 位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。 TOP 　　 2. 伪距差分原理     伪距差分是目前应用最广的一种差分技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。其差分改正数的格式通常采用国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC-104格式。     在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后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来解出本身的位置， 就可消去公共误差，提高定位精度。     与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。 TOP 　 3. 载波相位差分原理 测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度（10-6～10-8）。 但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间。这样就限制了在工程作业中的应用。于是探求快速测量的方法应运而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技术（FARA）使基线观测 时间缩短到5分钟，采用准动态（stop and go），往返重复设站（re-occupation）和动态（kinematic） 来提高GPS作业效率。这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理， 不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。     差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、 伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术 — 载波相位差分技术。     载波相位差分技术又称为RTK技术（real time kinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它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用户站。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。     实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，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。后者将基准站采集的载波相位发送给 用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。 差分GPS定位技术及发展 差分技术很早就被人们所应用。它实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数。在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用。     GPS是一种高精度卫星定位导航系统。在实验期间，它能给出高精度的定位结果。这时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度，但由于用户要求还不迫切，所以这一技术发展较慢。随着 GPS技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能。它使用一台 GPS基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源 —电离层和对流层效应。特别提出的是，当GPS工作卫星升空时，美国政府实行了SA政策。使卫星的轨道参数增加了很大的误差， 致使一些对定位精度要求稍高的用户得不到满足。因此，现在发展差分GPS技术就显得越来越重要。     GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。     在这一定位过程中，存在着三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、 电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术， 第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离， 第三部分误差则无法消除。        除此以外，美国政府实施了SA政策，其结果使卫星钟差和星历误差显著增加，使原来的实时定位精度从15m降至100m。在这种情况下，利用差分技术能消除这一部分误差，更显示出差分GPS的优越性。