第六章 差分GPS

第六章 差分GPS

一、影响卫星导航定位绝对定位精度的主要因素有哪些？

第一类误差：公共误差——卫星钟差；大气延迟（对流层延迟、电离层延迟）星历误差。

第二类误差：传播延迟误差——不能由用户测量货校正模型计算的误差。

第三类误差：接收机固有误差——内部噪声、通道延迟、多路径效应。

二、了解静态相对定位以及动态相对定位概念。

静态相对定位：将两台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，并同步观测相同的4颗以上的GPS卫星，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置，这种定位模式称为相对定位。

动态相对定位：即是将一台接收机设置在一个固定的观测站（或基准站），基准站在协议地球系中的坐标是已知的。另一台接收机安装在运动的载体上，载体在运动过程中，其上的GPS接收机与固定观测站上的接收机同步观测GPS卫星，以实时确定运动点于每一观测历元的瞬时位置。在相对定位中，由基准站通过数据链发送修正数据，用户站接受该修正数据应对其测量结果进行改正处理，以获得精确的定位结果。由于用户接受基准站的修正数据，对用户站观测进行改正，这种数据处理本质上是求差处理（差分），以达到消除或减少相关误差的影响、提高定位精度，因此GPS相对定位又称为差分GPS定位。

三、简述差分GPS的基本原理。

定义：通过在固定测站和流动测站上进行同步观测，利用在固定测站上所测得卫星定位误差数据改正流动测站上定位结果的卫星定位。

差分GPS（DGPS，differential GPS-DGPS）就是首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户（GPS导航仪），对用户的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度。

根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。差分GPS (DGPS)是在正常的GPS外附加(差分)修正信号，此改正信号改善了GPS的精度。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

差分GPS根据时效性可分为：实时差分和事后差分

根据观测值类型可分为：伪距差分和载波相位差分

根据差分改正数可分为：位置差分（坐标差分）和距离差分

根据工作原理和差分模型可分为：局域差分LADGPS-Local Area DGPS(单基准站差分、多基准站差分)和广域差分WADGPS-Wide Area DGPS

四、在卫星导航定位中，为什么要采取差分定位的方法？主要是克服由哪个方面引入的误差？

差分GPS产生的原因：绝对定位精度不能满足要求。

卫星轨道误差；卫星钟差；大气延迟（对流层延迟、电离层延迟）多路径效应。（除空间相关性的误差）

五、差分GPS中，什么是伪距差分？什么是位置差分？什么是相位差分？分析不同差分方法的优劣特点。

伪距差分原理

伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事 无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。

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。

位置差分原理

这是一种最简单的差分方法，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。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。

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。

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。

六、了解局域差分和广域差分的基本概念、工作原理。

局域差分GPS系统（LADGPS）

局域差分GPS系统是在局部区域中应用差分GPS技术，先在该区域中布设一个差分GPS网，该网游若干个差分GPS基准站组成，还包括一个或者数个监控站。位于该局域GPS网中的用户根据多个基准站所提供的改正消息，经平差后求得自己的改正数。

该技术原理是根据主控站和用户站在一定距离内对GPS卫星同步同轨观测值之间存在的相关性,使用户站利用主控站提供的GPS定位误差的综合改正信息,来提高定位精度.LADGPS的作用半径比较小,例如通常伪距差分的作用半径不超过150 km,这时用户站的实时定位精度一般可提高至±3 m～5 m.

广域差分GPS系统（WADGPS）

全球定位系统(GPS)受美国AS和SA政策影响,导致我国GPS用户实时定位精度降低到100m左右.美国政府虽于1996年初曾宣布在今后十年内考虑分阶段停止SA,但即使停止SA政策的实施,GPS实时定位精度也难于高过±15 m~30 m.因此,从目前和今后的需要考虑,建立和发展差分GPS系统是提高GPS实时定位精度最为有效的技术手段之一.

WADGPS技术原理是对GPS观测量的误差源分别加以区分和"模型化",然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值(差分值)通过数据通讯链传输给用户,对用户在GPS定位中的误差加以修正,以达到削弱这些误差源和改善用户GPS定位精度的目的.这种方法不仅削弱了LADGPS技术中主控站和用户站之间定位误差对时空的相关性,而且又保持了LADGPS的定位精度.因此在WADGPS系统中,只要数据通讯链有足够能力,主控站和用户站间的距离原则上是没有限制的.

WADGPS系统一般由一个主控站,若干个GPS卫星跟踪站,一个差分信号播发站,若干个监控站,相应的数据通讯网络和若干个用户站组成.按目前通行的WADGPS对通讯的技术要求是:跟踪站需不间断(至少3 s间隔)地实时地向主控站传输GPS卫星的跟踪数据.主控站要通过差分信号播发站对在1 000km范围内的用户不间断地发播差分改正值,其更新率大体是:星历3 min,星钟6 s,电离层1 h.这种传输首先必须是高速率的,否则差分改正的讯龄和时间差会变大而降低导航和定位精度;同时必须是低误码率,否则不能保证用户定位的完备性.总之,WADGPS系统对数据通讯的要求是:(1)传输数据量大;(2)实时传输;(3)高速率;(4)传输距离长;(5)覆盖面大.因此,如何实现这一数据通讯网络是建立WADGPS系统的技术关键.

七、了解世界各国广域差分分系统情况（中、美、欧、日、印等国）。

利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统（如美国民航局开发的WAAS，欧洲的EGNOS及日本的MSAS），可提供附加区域卫星导航测距信号、导航精度校正数据和在轨导航卫星的可用性信息，成为显著提高导航精度和可靠性的重要手段，并使SA干扰失去作用。

美国政府为了加强其在全球导航市场的竞争力，已于2000年5月1日午夜撤销对GPS的SA干扰技术，标准定位服务定位精度双频工作时实际可提高到20米、授时精度提高到40纳秒，并承诺以后逐步增加两个民用频率，即L2增加C／A码和民航安全专用的L5(频率1176MHz)，希望以此来抑制其他国家建立与其平行的另一个系统，并提倡以GPS和美国政府的增强系统作为国际使用的标准。

俄罗斯近日宣布计划为格洛纳斯系统建立一个SBAS系统，并建立一个地面监测站监测国家周面领土。SBAS即Space Based Augmentation System是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统。欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，覆盖 欧洲大陆;美国的DGPS(Differential GPS)，美国雷声公司的广域增强系统(WAAS)，覆盖美洲大陆;日本的多功能卫星增强系统(MSAS)，覆盖亚洲大陆。