GNSS原理及技术（三）——差分定位技术

本文以DGPS为例来说明差分定位技术

首先提个问题：我们为什么要采用差分GPS定位技术测量？

答案是：绝对定位精度不能满足要求。

 

一、DGPS简介

DGPS:差分全球定位系统(Differential Global Position System).

目前 GPS 系统提供的定位精度是优于 10 米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分 GPS 技术：将一台 GPS 接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行 GPS 观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

 

差分 GPS 分为两大类：伪距差分和载波相位差分

差分的优点

（1）消除卫星钟钟差

（2）消除卫星星历误差

（3）消除电离层延迟

（4）消除对流层延迟

（5）将接收机钟钟差做为未知数求出以上措施将有效地提高GPS定位精度，一般而言，以坐标方式差分可达±5m的精度，以伪距方式可达±（1～3）m级精度，以载波相位方式可达±（1～3）cm的精度，高程精度为平面精度的2～3倍。

 

RTK测量原理图

 

二、差分GPS的分类

（1）按接收机天线所处状态分类

1. 动态
2. 静态
3. 动静合一

（2）按系统处理的方式（数字模型）分类

1. 坐标差分
2. 伪距差分
3. 载波相位差分
4. 伪距差分、载波相位差分合一

（3）按数据（x，y，H或B，L，H）获取方式分

1.   实时     
2.   后处理      
3.   实时、后处理合一

（4）按基准站数据实时通讯方式

1. 单基准站差分（1对1或1对n，海上50km，陆地10km，陆地RTK5km）
2. 信标差分(1对n)(海上500km，陆地100km） 
3. 局域差分( M对n，卫星通讯，有偿使用 )
4. 广域差分( M对n，卫星通讯，有偿使用 )

这里主要介绍伪距1对n后处理差分系统，其平面定位精度可达±1m，高程定位精度可达±（2—3）m，作用距离可达200km。

 

三、差分系统构成

（1）基准站（坐标已知，固定不动，视野开阔，远离大水体，远离电磁波天线）

1. GPS接收机主机
2. GPS接收机电源
3. GPS天线
4. GPS控制记录器
5. GPS接插件及对中杆（基准站含支架）
6. GPS集装箱

  若为实时差分，还需通讯电台

 

（2）移动站（可处于任意可接收四颗星的位置，其配置同基准站，但为不含支架）

 

四、基准站已知数据获取

• GPS单机单点定位（±5m）
• GPS单机单点定位4小时均值（±1m ）
• 从测绘主管部门购买（±0.5m ～±0.5cm ）
• 从地图上解析（ ±1m ～ ±40m ）

 

五、差分GPS定位原理

从上式出发，推证伪距差分的一般数学模型。在基准站A观测j卫星，测得伪距为：

式中ρjAt为t时刻A至卫星j的真实距离，可用 几何公式求得。由电台送往移动台B点的差分改正为：

B点观测的伪距为：

将伪距改正数加入(3-17)式，则有：

考虑到现有设备的通讯能力，A、B点间距不超过50km，因而LjBtrop≈LjAtrop，LjBion≈LjAion，上式中可消除卫星钟差、对流层、电离层的影响，令c(VＴＢ-VＴＡ)＝d，则上式可表示为：

          

将上按台劳级数展开，得：

因A、B二点之距小于50km,故ljAt≈ljBt，mjAt≈mjBt，njAt≈njBt，ρjAt０、ρjBt０为ρjＡt、ρjBt的初值，从而依上式可大部分消除卫星星历误差，进一步整理为：

当有n(n>4)颗同步观测卫星时，按最小二乘法表示的伪距差分模型为：

 

六、差分GPS技术

A  外业观测

（1）基准台设置要求

1. GPS天线平面10°仰角以上无大片障碍物阻挡卫星信号
2. 基准站至测区有视野应开阔，无高大建筑物或高山阻挡
3. 100米内无强大有电磁波辐射源，如微波站、大楼电梯电动机房正楼顶等
4. 要有一定的海平面高度，建议在较远距离工作时，将基准站设置在高楼楼顶或山顶上

（2）安置仪器，开机，设置有关参数，如历元数、仪器高等输入文件名

1. 基准站人就可以离去，有遮伞下雨问题不大
2. 移动站安置仪器，开机，设置采样历元数，输入文件包名，可对应每个文件名
3. 移动站测绘，可加入观测点属性

B  内业处理

（1）将基准站、基准站文件传入微机或便携机

（2）将基准站、基准站文件在微机或便携机上求差分（自动处理），显示图形

（3）求算面积，给出测量点并打印

（4）将观测结果进入GIS或数字电子地图，补测补绘地物

C  固定样地标定

 

七、GPS静态定位技术

用户接收机i和基准站接收机j同时跟踪一颗编号为i的卫星，则载波相位观测方程可以表示为:

显然，由两个整数相减得到的单差整周模糊度仍是一个整数，而一旦的值被正确求解出来，那么单差载波相位就成为既没有模糊度又具有高精度的单差距离测量值。

单差——不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差

双差——不同观测站同步观测一组卫星所得观测量的单差之差

三差——不同观测站同步观测同一组卫星所得观测量的双差之差

RTK关键技术——初始化，通讯

 

八、载波相位差分(单差、双差、三差)原理

观测站A、B对卫星j的观测值分别为：

 

单差：消除了卫星钟差，基本消除了电流层、对流层延迟误差。

 

 

双差：消除了星历误差，进一步消除了电流层、对流层延迟误差。

 

三差：消除了整周模糊度、电流层、对流层延迟误差。

 

原则：用双差不用单差，用固定解不用浮点解

 

九、CORS系统

连续运行参考站(CORS)，可定义为：一个或若干个固定的、连续运行的GNSS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN／WAN)技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的GNSS观测值(载波相位，伪距)，各种改正数、状态信息，以及其他有关GNSS服务项目的系统。

 

网络RTK技术

• 无需架设基准站，省去了野外工作中的值守人员和架设参考站的时间，降低了作业成本，提高了生产效率；
• 传统“1+1”GNSS接收机真正等于2，生产效率双倍提高 ；
• 不需要在四处找控制点；
• 扩大了作业半径，网络覆盖范围内能够得到均等的精度；
• 在CORS覆盖区域内，能够实现测绘系统和定位精度的统一，便于测量成果的系统转换和多用途处理。

CORS系统

参考站及控制中心

 

CORS系统组成

参考站  +  控制中心  +  用户部分