高精度設(shè)備定位原理及測試方法

1、高精度設(shè)備定位原理及測試方法.091/26目 錄1GNSS定位原理2差分定位3星基增強/地基增強2/261.1GNSS定位原理GNSS(Global Navigation Satellite System)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-能在地球表面或近地空間任何地點為用戶提供全天候3維坐標和速度以及時間信息空間無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。定位過程：空間星座部分各顆GNSS衛(wèi)星全天候向地面發(fā)射信號，用戶設(shè)備經(jīng)過接收、測量各顆可見衛(wèi)星信號，并從信號中獲取衛(wèi)星運行軌道信息，進而確定用戶接收機本身空間位置。站星距：計算過程：因為接收機時鐘通常與衛(wèi)星時鐘不一樣時，所以接收機需要有4顆衛(wèi)星測量值，然后4個方程一并求解出x,y

2、,z和接收機鐘差(t)這4個未知數(shù)。3/261.1GNSS定位原理偽距觀察方程：GPS衛(wèi)星軌道電離層對流層5010000kmkmkm4/261.1GNSS定位原理迭代求解5/261.2影響GNSS定位精度原因定位過程中影響GNSS精度原因：與衛(wèi)星相關(guān)誤差：衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差等；與傳輸路徑相關(guān)誤差：電離層延遲、對流層延遲和多徑效應(yīng)；與接收機相關(guān)誤差：接收機天線相位中心偏差、接收機內(nèi)部噪聲、接收機鐘差。可消除誤差：與衛(wèi)星相關(guān)誤差可完全消除；與傳輸路徑相關(guān)誤差可部分消除；與接收機相關(guān)誤差不可消除。6/261.3怎樣消除誤差有沒有一個定位方式能降低定位誤差，來提升GN

3、SS定位精度？差分GNSS，也稱為DGNSS（D:Differential）;基本思想：消除公共誤差項；基本方法：利用已知位置點測量到偏差，來更正其它未知位置點測量偏差。7/262.1差分定位原理8/262.1差分定位原理差分定位： 依據(jù)基準站已知精密坐標，計算出差分更正數(shù)，并由基準站將這一更正數(shù)發(fā)送。GNSS終端不但接收GNSS衛(wèi)星信號，同時也接收基準站更正數(shù)，并對其定位結(jié)果進行更正，以提升定位精度。 利用基準站測定含有空間相關(guān)性誤差或其對測量定位結(jié)果影響，流動站更正其觀察值或定位結(jié)果。9/262.2差分定位分類依據(jù)時效性實時差分事后差分依據(jù)差分更正數(shù)類型位置差分距離差分依據(jù)觀察值類型偽距差

4、分載波相位差分依據(jù)覆蓋范圍局域差分廣域差分10/262.2.1位置差分位置差分GPS是一個最簡單差分方法。安置在已知準確坐標基準站GPS接收機，利用數(shù)據(jù)鏈將坐標更正數(shù)發(fā)送給用戶。用戶接收到坐標更正數(shù)對其計算得到坐標進行更正。經(jīng)過坐標更正后用戶坐標已經(jīng)消去了基準站與用戶共同誤差，如星歷誤差、大氣折射誤差、衛(wèi)星誤差，提升精度。優(yōu)點: 計算方法簡單，適用范圍較廣；缺點: 實現(xiàn)位置差分原理先決條件是必須確保基準站和用戶站觀察同一組衛(wèi)星情況；適用范圍：用戶與基準站間距離在100km以內(nèi)。11/262.2.2距離差分/偽距差分偽距差分是經(jīng)過在基準站上利用已知坐標求出站星距離，并將其與含有誤差測量距離比較，

5、并將測距誤差傳輸給用戶，用戶用此來對測距進行對應(yīng)更正。但偽距差分很大程度上依賴兩站距離，伴隨距離增加，其公共誤差減弱，如對流層、電離層，所以應(yīng)考慮距離原因。優(yōu)點 ：能夠到達較高精度；能夠采取外推方法繼續(xù)進行高精度定位；允許用戶接收任意4顆星信號進行定位。 缺點 ：用戶和基準站之間距離對精度有決定性影響。伴隨用戶到基準站距離增加又出現(xiàn)了新系統(tǒng)誤差 ，且無法用差分方法消除。12/262.2.3載波相位差分載波相位差分技術(shù)建立在實時處理兩個測站載波相位基礎(chǔ)上。能實時提供觀察點三維坐標，并到達厘米級高精度。與偽距差分原理相同，由基準站經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波觀察量及站坐標信息一同傳送給流動站。用戶站接收

6、GPS衛(wèi)星載波相位與來自基準站載波相位并組成相位差分觀察值進行實時處理，能實時給出厘米級定位結(jié)果。載波相位是指在同一接收時刻基準站接收衛(wèi)星信號相位相對于接收機產(chǎn)生載波信號相位測量值。13/262.2.3載波相位差分載波相位測量原理：若某衛(wèi)星S發(fā)出一載波信號，該信號向各處傳輸。在某一瞬間，測得該信號在接收機R處相位和在衛(wèi)星S處相位。并求站星距。GPS衛(wèi)星并不測量載波相位，但只要接收機鐘與衛(wèi)星鐘能保持嚴格同時，且選取同一起算時刻，那么就能用接收機所產(chǎn)生基準振蕩信號(復(fù)制載波)去取代衛(wèi)星所產(chǎn)生載波。在這種情況下,任一時刻在接收機處基準振蕩信號相位都等于衛(wèi)星處載波相位。求站星距。14/262.2.3載

7、波相位差分理想情況實際情況15/262.2.3載波相位差分實現(xiàn)載波相位差分方法分為兩類：修正法：基準站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以更正其載波相位，然后求解坐標。為準RTK技術(shù)差分法：將基準站采集載波相位發(fā)送給用戶進行求差解算坐標。為真正RTK技術(shù)。16/262.2.4載波相位實時動態(tài)差分技術(shù)RTK實時動態(tài)（Real Time KinematicRTK）差分測量系統(tǒng)，是GNSS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而組成組合系統(tǒng)。它是GNSS測量技術(shù)發(fā)展中一個新突破。RTK 測量技術(shù)，是以載波相位觀察量為依據(jù)實時差分GNSS測量技術(shù)。RTK 測量技術(shù)是準動態(tài)測量技術(shù)與AROTF算法和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合

8、而產(chǎn)生，它完全能夠到達“精度、速度、實時、可用”等各方面要求。RTK組成：參考站（基準站），流動站，數(shù)據(jù)鏈。17/262.2.4載波相位實時動態(tài)差分技術(shù)RTK觀察方程相位18/262.2.4載波相位實時動態(tài)差分技術(shù)RTK單差：站間一次差分 消除了衛(wèi)星鐘差影響，減弱了電離層折射影響，減弱了對流層折射影響，減弱了衛(wèi)星軌道誤差影響雙差：站間、星間各求一次差（共兩次差）消除了接收機鐘差影響三差：站間、星間和歷元間各求一次差（三次差）消去了整周未知數(shù)參數(shù)19/262.2.4載波相位實時動態(tài)差分技術(shù)RTK20/262.2.5偽距差分和載波相位差分比較因為信號量測精度普通優(yōu)于波長1/100，所以載波測量精度

9、遠遠高于偽隨機碼不足：載波是一個沒有任何標識余弦波，而用接收機中來量測載波相位時能測定只是不足一周部分，因而會產(chǎn)生整周數(shù)不確定問題。另外,整周計數(shù)部分還可能產(chǎn)生跳變問題,故在進行數(shù)據(jù)處理前，還需進行整周跳變探測和修復(fù)工作，使得載波相位測量數(shù)據(jù)處理工作變得較為復(fù)雜、麻煩。21/262.2.6局域差分/廣域差分局域差分（LADGNSS Local Area DGNSS）結(jié)構(gòu)：基準站（一個）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶；數(shù)學(xué)模型：利用差分更正數(shù)計算方法，提供距離更正和距離更正變率；優(yōu)點：結(jié)構(gòu)、模型簡單；缺點：差分范圍小，精度隨距基準站距離增加而下降，可靠性低。廣域差分（WADGNSS Wide Area DG

10、NSS）結(jié) 構(gòu)：基準站（多個）、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。優(yōu)點：差分精度高、可靠性高、差分范圍增大缺點：差分范圍依然有限、模型不完善22/263.1地基增強地基增強GBAS （ ground-basedaugmentationsystems ）：作為導(dǎo)航應(yīng)用關(guān)鍵，北斗地基增強系統(tǒng)由基準站網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、運行服務(wù)平臺、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)和用戶終端五部分組成?；鶞收窘邮招l(wèi)星導(dǎo)航信號后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)形成對應(yīng)信息，經(jīng)由衛(wèi)星、廣播、移動通信等伎倆實時播發(fā)給應(yīng)用終端，實現(xiàn)定位服務(wù)。地基增強系統(tǒng)是指參考站位于地面對于GNSS進行功效增強運行系統(tǒng)，主要可分為兩類。A差分型均

11、基于差分原理使得接收機取得更高定位精度，系統(tǒng)間含有很大相同性。B偽衛(wèi)星和Locata則發(fā)送含有與GNSS信號相同功效信號，與GNSS不一樣是系統(tǒng)工作在地面，能夠減弱和消除GNSS中存在許多誤差。23/263.1地基增強差分型：廣域增強系統(tǒng)（WAAS），局域增強系統(tǒng)（LAAS），聯(lián)合精密進近系統(tǒng)（JPALS）和連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（CORS）。偽衛(wèi)星：1) 偽衛(wèi)星輔助定位。 偽衛(wèi)星能夠提供導(dǎo)航信息 。填補 GNSS衛(wèi)星數(shù)目標不足 ，對 GNSS輔助增強改進了定位系統(tǒng)可靠性和完好性 。2) 偽衛(wèi)星獨立定位 。在環(huán)境十分惡劣情況下 ，導(dǎo)航衛(wèi)星可能完全不可見 ，這時能夠采取若干顆偽衛(wèi)星組成導(dǎo)航

12、星座 ，獨立地進行導(dǎo)航和定位。Locata：由澳大利亞Locata企業(yè)研制一個既能增強GPS定位又可獨立進行定位高精度定位系統(tǒng)。24/263.2星基增強星基增強（SBAS：Satellite-Based Augmentation System）：星基增強系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)主要組成部分，利用地球同時軌道衛(wèi)星（GEO）搭載增強信號載荷，向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等修正誤差和完好性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度改進。系統(tǒng)組成：監(jiān)測接收機、中央處理設(shè)施、衛(wèi)星上行設(shè)施和多顆地球同時軌道衛(wèi)星。工作原理：先由大量分布極廣廣域基準站（WRS）對導(dǎo)航衛(wèi)星進行監(jiān)測，取得原始定位數(shù)據(jù)（偽距、衛(wèi)星播發(fā)相位等）并送至中央處理設(shè)施（WMS），后者經(jīng)過計算得到各衛(wèi)星各種定位修正信息，經(jīng)過上行注入站（GES）發(fā)給GEO衛(wèi)星，該衛(wèi)星將