衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GlobalNavigationSatelliteSystem哈爾濱工程大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程組自動化學(xué)院第七章衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)本章內(nèi)容安排概述基本差分算法位置差分偽距差分載波相位差分局域差分系統(tǒng)廣域差分系統(tǒng)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)信標(biāo)差分系統(tǒng)概述

衛(wèi)星導(dǎo)航的差分定位技術(shù)是顯著改善衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度和完善性的一種技術(shù)，工作原理：

利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差隨時(shí)間變化緩慢，而且與距離和路徑強(qiáng)相關(guān)的特性，通過求差的方法，消除或大大減少公共誤差，從而提高定位精度。

差分系統(tǒng)基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式：位置差分偽距差分相位差分相位平滑的偽距差分概述局域差分GPS系統(tǒng)（LADGPS）廣域差分GPS系統(tǒng)（WADGPD）廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）無線電信標(biāo)差分GPS系統(tǒng)（RBN/DGPS）差分形式概述差分定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站用戶臺3改正信息用戶臺2用戶臺1數(shù)據(jù)鏈電臺基準(zhǔn)站多個(gè)用戶臺數(shù)據(jù)鏈（調(diào)制解調(diào)器電臺）差分定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述近程（小于100km）中程（30～800km）遠(yuǎn)程（大于800km）差分定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信類型按傳輸差分信息的覆蓋范圍按播發(fā)站的位置空（星）基陸基概述近程數(shù)據(jù)通信臨時(shí)性、短期性的差分定位作業(yè)

優(yōu)點(diǎn)：穿透性強(qiáng)、直線傳播性強(qiáng)缺點(diǎn)：易受障礙物、地形和地球曲率的影響

長期性優(yōu)點(diǎn)：利用調(diào)頻信號基帶中的副載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸不影響調(diào)頻臺主頻道的正常播音充分利用了調(diào)頻信號基帶中的副載波資源

概述中程數(shù)據(jù)通信長波（LF）特點(diǎn)：靠地面波傳輸、受大氣影響小而受地形影響較大不太適宜于差分定位中波（MF）特點(diǎn)：頻道擁擠，易受干擾，而且傳播速率仍偏低短波（VHF）特點(diǎn)：易受天氣和電離層干擾和影響、常出現(xiàn)盲區(qū)、通信設(shè)備造價(jià)低廉且集成度高

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)：采用星基的差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)站概述國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會（RTCM）于1983年11月為全球推廣應(yīng)用差分GPS業(yè)務(wù)設(shè)立了SC-104專門委員會。1985年11月發(fā)表了Ver1.0版本差分定位精度為8～10m1990年1月公布了Ver2.0版本提高了差分改正數(shù)的抗差錯(cuò)性能，增大了可用信息量。差分定位精度提高到5m，通?？蛇_(dá)2～3m甚可達(dá)到1m1994年1月又公布了Ver2.1版本適應(yīng)載波相位差分GPS的需要；保留了基本電文，增加了支撐實(shí)時(shí)動態(tài)定位RTK的新電文；

2001年8月發(fā)布2.3版（目前最新版）RTCMSC-104標(biāo)準(zhǔn)格式RTCM-SC104數(shù)據(jù)格式考慮到GPS的用戶已經(jīng)熟悉了GPS的基本導(dǎo)航電文，在RTCM電文格式中保留了GPS電文的字長、字格式、奇偶校驗(yàn)規(guī)則和其它特性差分GPS電文格式采用可變長度的格式。在具體使用中考慮以下因素：增強(qiáng)奇偶校驗(yàn)規(guī)則，以檢測出數(shù)據(jù)中的誤差，避免將錯(cuò)誤改正數(shù)發(fā)送給用戶，提高用戶使用的可靠性。一般用戶不需要數(shù)據(jù)鏈的奇偶校驗(yàn)，不需要在數(shù)據(jù)傳輸過程中的控制。這樣，在多數(shù)應(yīng)用中不要求數(shù)據(jù)鏈的奇偶校驗(yàn)和編碼方案。奇偶校驗(yàn)規(guī)則搭接邊界和求解模糊度符號，在雙相調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸中統(tǒng)一協(xié)調(diào)解決。采用30bit字碼和50Hz傳輸率與GPS相匹配,字邊界時(shí)間為0.6s的整數(shù)倍，便于定時(shí)控制。以前采用的32bit字碼只能在16s內(nèi)有一次相遇。RTCM-SC104數(shù)據(jù)格式電文類型狀

態(tài)內(nèi)

容12345678910111213141516171819202122～585960～63固定固定固定棄置試用固定固定試用固定備用備用備用試用備用備用固定試用試用試用試用試用—試用備用差分GPS改正數(shù)△差分GPS改正數(shù)基準(zhǔn)站參數(shù)測地工作衛(wèi)星星座健康狀態(tài)零幀信標(biāo)歷書偽衛(wèi)星歷書部分衛(wèi)星差分改正數(shù)P碼差分改正數(shù)（全部衛(wèi)星）C/A碼，L1，L2△改正數(shù)偽衛(wèi)星站參數(shù)地面發(fā)射機(jī)參數(shù)測地輔助電文電離層、對流層電文專用電文星歷歷書未改正的載波相位觀測量未改正的偽距觀測量RTK載波相位改正數(shù)RTK偽距改正數(shù)未定義專利信息其他用途信息RTCMSC-104的電文類型:21類共63種電文格式差分定位差分GPS定位原理

差分定位是在一個(gè)地理位置準(zhǔn)確已知點(diǎn)建立差分基準(zhǔn)臺，實(shí)時(shí)計(jì)算出誤差信息，并將此信息傳送給用戶，用戶即可得到高精度定位。

DifferentialCorrection2位置差分差分定位10m10m基準(zhǔn)站（位置已知）接收機(jī)(位置未知)接收機(jī)估計(jì)位置接收機(jī)估計(jì)位置真實(shí)位置（已知）坐標(biāo)改正信息差分定位如果考慮到用戶站的位置改正瞬間變化，則式中為校正的有效時(shí)刻。位置差分特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):計(jì)算方法簡單，適用范圍較廣；缺點(diǎn):實(shí)現(xiàn)位置差分原理的先決條件是必須保證基準(zhǔn)站和用戶站觀測同一組衛(wèi)星的情況；適用范圍：用戶與基準(zhǔn)站間距離在100km以內(nèi)。差分定位衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離

偽距的改正數(shù)

偽距改正數(shù)的變化率

基準(zhǔn)站的接收機(jī)測量的偽距

經(jīng)過差分修正的偽距

用戶至衛(wèi)星的偽距

基準(zhǔn)站接收機(jī)計(jì)算出基站至可見衛(wèi)星的距離，并將此距離與含有誤差的測量值加以比較偽距差分差分定位優(yōu)點(diǎn)：可以達(dá)到較高的精度；可以采用外推的方法繼續(xù)進(jìn)行高精度定位；允許用戶接收任意4顆星的信號進(jìn)行定位。缺點(diǎn)：用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對精度有決定性影響。隨著用戶到基準(zhǔn)站距離的增加又出現(xiàn)了新的系統(tǒng)誤差，且無法用差分方法消除。偽距差分特點(diǎn)差分定位：經(jīng)差分改正后的用戶站到衛(wèi)星的偽距；：鐘差；：觀測的相位差小數(shù)部分；

：整周相位模糊度；：波長；

：用戶站至衛(wèi)星的真實(shí)距離，包括用戶站的三維坐標(biāo)；

：接收機(jī)的測量噪聲。相位平滑的偽距差分偽距觀測方程載波相位的觀測方程差分定位取t1、t2兩時(shí)刻的相位觀測量之差，以消除整周相位模糊度

（1）

若基準(zhǔn)站與用戶站相距不太遠(yuǎn)，可認(rèn)為=0。在t2時(shí)刻的偽距觀測量為（2）差分定位將(2)代入到(1)得

（3）將(3)代入t2時(shí)刻的偽距觀測量得t1時(shí)刻的偽距觀測量（4）以上述方法可由不同時(shí)段的相位差求出t1時(shí)刻的偽距觀測量。差分定位從t1到tk的相位差值k個(gè)歷元的觀測值

t1時(shí)刻k個(gè)偽距觀測量

對所有推導(dǎo)值取平均，得到t1時(shí)刻的偽距平滑值可推得其他各時(shí)刻的平均值

（k=2,3，…，k）

差分定位以上的推導(dǎo)只適用于數(shù)據(jù)的后處理，至于實(shí)時(shí)動態(tài)應(yīng)用，我們可以采用另一種平滑形式，即類似于濾波的形式設(shè)起始條件為：因?yàn)閷Ω黝w衛(wèi)星的偽距觀測是等精度的，則求解點(diǎn)位時(shí)觀測方程的權(quán)陣僅與平滑次數(shù)有關(guān)，即權(quán)陣為（對于n個(gè)衛(wèi)星）

可以根據(jù)相位平滑偽距的觀測量解出用戶站的坐標(biāo)差分定位v=4km/s20200km1000km50km10kmdistance??km載波相位差分差分定位載波相位差分技術(shù)(RTK技術(shù):realtimekinematic），建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測站的載波相位測量基礎(chǔ)上。能實(shí)時(shí)提供觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級的高精度。實(shí)現(xiàn)方法修正法：基準(zhǔn)站向用戶站發(fā)送載波相位修正量（準(zhǔn)RTK技術(shù)）。差分法：基準(zhǔn)站將采集的載波相位發(fā)送給用戶臺進(jìn)行求差解算

（真正的RTK技術(shù)）。基本原理與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測量及基站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收導(dǎo)航衛(wèi)星的載波相位與來自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能實(shí)時(shí)給出厘米級的定位結(jié)果。載波相位差分差分定位修正法

基準(zhǔn)站與第i顆衛(wèi)星的偽距（接收機(jī)觀測值）星歷誤差對衛(wèi)星i：偽距改正數(shù)＝真實(shí)距離－偽距差分定位當(dāng)基準(zhǔn)站與用戶站相距較近時(shí)（小于100km）用戶臺觀測偽距偽距修正差分定位如果基準(zhǔn)站與用戶站間同時(shí)觀測相同的4顆衛(wèi)星(i=1,2,3,4)差分定位求差法接收機(jī)間的一次差接收機(jī)和衛(wèi)星間的二次差接收機(jī)、衛(wèi)星和觀測歷元時(shí)刻之間的三次差差分定位

基準(zhǔn)站A與用戶臺B到第j顆衛(wèi)星的偽距分別為一次差不能消除接收機(jī)間一次差（單差）差分定位A、B兩站與衛(wèi)星j和k的一次差：接收機(jī)與衛(wèi)星間二次差（雙差）求差消除鐘差差分定位三次差不會明顯提高差分定位結(jié)果接收機(jī)、衛(wèi)星和觀測歷元時(shí)刻之間的三次差差分定位整周模糊度整周模糊度N0=？？？Fr0N0=？？？Fr1Int(Φ)Int(Φ)相位整周模糊度差分定位

,:起始相位模糊度，即相位整周數(shù)的初始值;，:從起始?xì)v元開始至觀測歷元間的相位整周數(shù);

:測量相位差的小數(shù)部分；

:載波波長。用戶載波相位觀測量：基準(zhǔn)站載波相位觀測量：差分定位

可通過刪除法、模糊度函數(shù)法、FARA法以及消去法求解初始相位模糊度。FARA基本思想（快速模糊度解算法）以數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論的參數(shù)估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)為基礎(chǔ)，充分利用初始平差的解向量(點(diǎn)坐標(biāo)及整周模糊度的實(shí)數(shù)解)，及其精度信息(方差與協(xié)方差陣和單位權(quán)中的誤差)，確定在某一置信區(qū)間整周模糊度可能的整數(shù)解的組合，然后依次將整周模糊度的每一組合作為已知值，重復(fù)地進(jìn)行平差計(jì)算，其中能使估的驗(yàn)后方差(或方差和)為最小的一組整周模糊度，即為所搜索的整周模糊度的最佳估值。局域差分GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基準(zhǔn)站（多個(gè)）、數(shù)據(jù)通訊鏈、監(jiān)控站、用戶數(shù)學(xué)模型加權(quán)平均算法或最小方差算法局域差分GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：基準(zhǔn)站（一個(gè)）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型：利用差分改正數(shù)的計(jì)算方法，提供距離改正和距離改正的變率特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)、模型簡單缺點(diǎn)：差分范圍小，精度隨距基準(zhǔn)站距離的增加而下降，可靠性低單基準(zhǔn)站局域差分局域差分GPS系統(tǒng)單基準(zhǔn)站局域差分局域差分GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：基準(zhǔn)站（多個(gè)）、數(shù)據(jù)通訊鏈、用戶數(shù)學(xué)模型：加權(quán)平均、偏導(dǎo)數(shù)法、最小方差法特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、可性高差分范圍增大缺點(diǎn)：差分范圍仍然有限、模型不完善多基準(zhǔn)站局域差分局域差分GPS系統(tǒng)多基準(zhǔn)站局域差分廣域差分GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)站（多個(gè)）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型與普通差分不相同普通差分考慮的是誤差的綜合影響廣域差分對各項(xiàng)誤差加以分離，建立各自的改正模型用戶根據(jù)自身的位置，對觀測值進(jìn)行改正特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、差分精度與距離無關(guān)、差分范圍大缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)費(fèi)用高廣域差分GPS系統(tǒng)工作流程

用戶用接收到的誤差改正觀測量，得到GPS精確定位跟蹤觀測GPS衛(wèi)星的偽距相位測得的偽距、相位和電離層延時(shí)的結(jié)果傳輸?shù)街行恼居?jì)算三項(xiàng)誤差的改正數(shù)包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延時(shí)將這些誤差改正用數(shù)據(jù)通信鏈傳輸?shù)接脩粽緩V域增強(qiáng)系統(tǒng)

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS通過以下三種服務(wù)來增強(qiáng)GPS：改善可用性和可靠性改善精度改善安全性關(guān)于WAAS信號，其功能和設(shè)計(jì)思想是：不干擾現(xiàn)有GPS接收機(jī)的信號接收提供附加的距離測量提供最大可能的完善性能力和差分修正方便信號的接收偽衛(wèi)星技術(shù)偽衛(wèi)星為了保證GPS在一些