论文南方RTK技术及应用.doc

成都电子机械高等专科学校 通信工程系毕业设计(论文)毕业设计（论文）专 业 通信技术 班 次 姓 名 指导老师 成都电子机械高等专科学校 二0一0年 5月20日1成都电子机械高等专科学校 通信工程系毕业设计论文南方NGK-500双频RTK技术原理及应用 摘要： RTK是英文Real Time Kinematics（实时动态）快速定位的缩写，其特点是以载波相位为观测值的实时动态差分GPS定位系统，其平面定位精度为（110）cm级，高程定位精度为（1030）cm级；差分 GPS定位已将卫星钟误差和星历误差消除，并将电离层延迟和对流层延迟误差消除，定位精度大大提高。载波相位观测量理论上是GPS信号在接收时刻的瞬时载波相位值。实际上是无法直接测量出任何信号的瞬时相位值。因此这里所说的载波相位观测量实际上是卫星信号与接收机的本地信号之间的相位差。目 录第1章 绪论. 1第2章 差分GPS定位原理 .22.1 局域差分GPS .22.2 广域差分GPS .7 第3章 数据链与数据格式 .103.1 电台选择 .103.2 调制解调器 .113.3 NMEA-0183数据格式 .113.4 RTCM-104数据格式 .12第4章 南方NGK-500型实时动态GPS测量系统简介 . .15第5章 系统功能概述 .175.1 静态相对定位模式 .175.2 快速静态相对定位模式 .175.3 RTD作业模式 .185.4 实时动态作业模式 .18第6章 应用实例 .196.1昆明引水工程公路勘测设计中的应用 .196.2梧州市土地管理局NGK-500验收报告 23总结 .24致谢25参考文献 .26 第一章 绪论 一 引言 GPS(Global Position System)全球定位系统是以卫星为基础的无线电导航系统，可为航空、航天、陆地、海洋等用户提供三维导航，定位和定时，GPS是美国国防部在本世纪80年代推出的，是由其60年代研制的海军航海卫星NNSS具有厘米机Doppler定位系统发展起来的。GPS空间星座由24颗星组成，分布在6个等间隔的轨道面上，卫星同时发射两种信号叫做C/A码（粗码）及P码（精码），保证在任何地方任何时刻都能够观测到4颗至9颗高角度大于10度的GPS卫星，这就是说随时随地都可以测得对面上或对面上空的点位的三维坐标，从而保障全球、 全天候连续.、实时.、动态导航.、定位。GPS定位功能多、精度高,可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维航速和时间信息。目前，单点实时定位精度为+/-15100米，静态相对定位为 ，测速0.1m/s,授时10纳秒。同时，GPS实时定位速度快，可在1秒内完成，它的抗干扰性能好、保密性强、操作简单。两观测点间不需通视，对于等级大地点节省了造标费用，此项费用可占总测量费用的30%50%。GPS还可全天候作业。GPS定位系统由于其定位的高度灵活性和常规测量无法比拟的高精度，成为测量学科中革命性的变化。因为测量点位不象经典三角测量一样有等级之分，不存在误差的积累，测点可以在真正需要的地方进行，无需过渡点，点间不需要有造标，通视等问题的考虑。而且观测点位又与重力场发生关系，避免了复杂的归算。这种可以把平面及高程同时求出，不需要平高分开的布网方式。，GPS卫星发射的是一对相干波，作为载波载有两类调制信号，一类为导航信号，另一类为电文信号。导航信号又分为两种，码率分别为1.023Mb/s和10.23Mb/s。前者信号编码1ms重复一次，用来快速捕捉导航信号，故称捕捉码，按设计仅用于粗略定位，又称粗码（C/A码）；后者七天重复一次，且各颗卫星不同,码的变化结构十分复杂，不易捕捉,但能用于精密定位,故称精码(P码)。两种码都是人为编制的一组类似躁声的信号码，通称为伪随机躁声码。电文信号同时以50bit/s的速度调制，电文内容包括卫星星历表、各项改正数和卫星工作状态等。地面控制部分是整个系统的中枢。它由一个主控站、若干个跟踪站和注入站所组成。地面控制的任务是保证整个系统的正常运转，包括管理和调整整个系统的工作状态，采集各类观测数据，计算卫星星历、卫星钟的钟差和漂移，各项改正数和定位信息，组成电文注入卫星存储器，以一组原子钟为基础建立和维护一个高精度的时间系统。用户接收机部分由主机、电源和天线组成。主机的核心为微电脑、石英振荡器，还有相应的输入输出设备和接口。专用软件控制下主机进行作业卫星选择、数据采集、加工、处理、传输和存储，对整个设备系统状态进行检查、报警和非致命故障的排除，承担整个接收系统的自动管理。天线通常采用全方位型的以便采集来自各个方位任意非页字度角的卫星信号。由于卫星信号较弱，在天线基座中有一个前置放大器，将信号放大后，再由同轴电缆馈入主机。电源部分为主机和天线供电，可使用经整流，稳压处理的、也可用蓄电池。从GPS的提出到1993年建成，经历了20年，实践证实，GPS对人类活动影响极大，应用价值极高，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足不同用户的需要。特别是用于精密定位的测地型接收机的出现，给大地测量带来了革命性的变化，成为GPS应用的主要分支。第2章 差分GPS定位原理 根据观测瞬间GPS卫星在空间的位置以及接收机所得的至这些卫星的距离，并加上大气传播延迟各项改正后，即可用距离交会的方法求得该瞬间接受机的位置。由于全球定位系统在军事上具有重要的作用因而美国决定采用SA技术（Selective Availability）和AS技术（Anti-Spoofing）把未经美国政府特许的广大用户的实时定位精度降低到它所允许的水平：+/-100m (2drms),以免美国的利益受到损害。然而对于许多应用领域来讲（例如飞机的进场和着陆、地面车辆的导航和调度管理、资源勘探调查、灾害救助等），上述精度就显得过低，无法满足用户要求，从而限制了GPS的应用范围。 实时差分GPS是消除美国政府限制性措施所造成的危害和负面影响，大幅度提高实时定位精度的有效手段。至1993年5月止，在全球已建立了20个向社会各界开放的商业差分GPS服务系统。差分GPS技术的发展也很迅速。从早期仅仅能提供位置改正数，伪距改正数到目前能将各种误差分离开来向用户提供卫星星历改正，卫星钟改正以及电离层延迟模型和对流层延迟模型。影响GPS 实时定位精度的因素很多，其中主要有： 卫星星历误差， 电离层延迟， 对流层延迟， 接收机钟和卫星钟的误差。这些误差从总体上讲都具有较好的空间相关性，也就是说对于相距不太远的各个测站来讲上述误差所产生的影响基本上是相同的。如果我们能在一个位置已精确确定的已知点配备GPS接收机，并和用户一起进行GPS观测的话，就有可能求得各个观测瞬间由于上述各种所造成的影响。如果已知点还能将这些偏差值通过无线电通讯的手段即刻播发给在附近工作的用户的话，那么这些用户的定位精度就能大为改善。这就是差分定位的基本原理。差分实时定位技术基本上可分为两种类型，即局域差分GPS和广域差分GPS。局域差分技术特点是向用户提供综合的差分GPS改正信息观测值改正，而不是单个误差源的改正。它的作用范围较小，一般为150Km之内。广域差分的技术特点是将GPS定位中主要的误差源分别加以计算，并分别向用户提供这些差分信息，它作用的范围比较大，往往在1000Km以上。以下分别给与介绍：1.1 局域差分GPS局域差分GPS（Local Area Differential GPS，简写为LADGPS）实时定位技术是由基准站、数据通讯链和用户站组成。它提高用户站定位精度的原理是建立在基准站和用户站对GPS卫星的同步同轨跟踪基础上的，由于这个原理，所以对基准站和用户站之间的距离间隔的要求和对用户站定位精度的改善都有较大限制。以下不特别说明都是指局域差分。差分定位基本上可分为两种计算或工作模式,一种是伪距差分,一种是载波相位差分,对于伪距差分,由于美国实行AS政策,一般接收机不能收到P码,因此在L2频道上已不能直接测到伪距。但目前新型GPS接收机可以收到由P码改变的Y码在两个频道之差(Y1-Y2)，由此可间接得到L2的伪距而无需破译P码。此外考虑到载波相位定位精度高的特点，将载波相位来平滑伪距中的部分误差，因此在上述两种差分技术之外，又产生二者之间的结合技术载波平滑码的差分方法，下面分别叙述如下：1.1.1伪距差分的计算模式： 对于L1频道的伪距的数学模式为 r=D+B-b-T+n （1-1） r：在L1 C/A码频道上测得的地面站到GPS卫星的伪距，该值已经 作对流层、相对论和多路径改正。 D：地面站至GPS卫星间距离的最或是值。 B：地面站GPS接收机钟差。 b：卫星钟差。 T：电离层改正。 n：测定伪距的噪声。 L2频道上的伪距的数学模式： rL2=rL1+rY1-Y2 （1-2） rL1：从L1频道上测得的伪距。 rY1-Y2：用互相关技术辨认在L1和L2频道上的(Y1-Y2)值，导出相应的 伪距。 在系统的主站上，根据主站已知的高精度地心坐标和追踪GPS卫星的广播星历，推算的主站至卫星的伪距（真）值D,D已经顾及主站接收机钟差，卫星钟差，对流层和电离层改正，因此伪距改正值可表示为： rc=D-r （1-3） r：伪距的量测值。这时主站向用户站提供的伪距差分信息为rc/r和他的变率。用户站通过数据通讯链收到上述差分信息后，进行定位计算。用户站后续的计算模式类同于GPS单点定位，只是对用户站测到的伪距，须利用上述差分信息进行相应改正。伪距差分变率的作用参见以后将提到的差分信息的“讯龄”这一节。总之伪距差分的有效作用距离实际上取决于主站和用户站二者误差的时空相关程度，在平原和丘陵地区，这一差分改正信号的有效覆盖距离一般不大于100150公里，相对主站的定位精度在5-10米。1.1.2载波相位差分技术的及计算模式：设在L1和L2频道上的载波相位差的数学模型为=D+B-b+T-N+n （1-4） ：表示载波相位测量值中已经除去整周值（N）后的分数周值。 ：表示对应的距离量。 N：载波相位整周数。 ：相应频道的波长。利用载波相位差分进行实时GPS定位是当前研究的热点。利用伪距进行定位相对于载波相位来说精度较差，但后者有一个最大的缺点就是要解决整周模糊度，即N,一般原理是在动态GPS定位测量开始之前的静止状态下，用某种技术来确定N,即使如此，当用户站在动态下，往往出现对GPS信号的失锁，这样就需要重新确定N,这意味着整个动态实时载波相位差分GPS工作要重新开始，最近几年发展的动态实时快速确定整周模糊度技术（OTF）虽然有长足进展，但即使如此，在通常情况下，若用户站周围没有很多天线干扰和障碍物等，且用户站周跳很少发生，则利用这一技术的有效作用距离目前一般还很难超过30公里，但其定位精度高，可达到和超过dm量级以上，可用于飞行器进场着陆等高精度导航之用。类似于（1-3）式，载波相位的差分改正： c=D/-N- （1-5）式中符号意义同（1-4）。主站将c和N以及他们的变率传输给用户站，作为用户站定位之用，但用户站仍须用OTF技术迅速决定自己的整周数N，以求得自己的位置。由于相位差分定位精度很高，还顾及主站的钟差，因此RTCM（无线电技术委员会海洋组）推荐在传送相位差分信息同时，也应考虑传送钟差改正及其变率的信息。1.1.3载波相位平滑单频道伪距差分技术的计算模式由于载波相位定位精度很高，因此人们一直考虑如何利用这一观测量来平滑伪距，因此设计一种迭代形式的过滤技术，不断改变经载波相位平滑后的伪距的权。若遇到一个周跳，可以重新设置开始新一轮的平滑过滤。下面介绍用GPS载波相位平滑单频道伪距的过滤技术。设相距观测值和伪距差观测值r已作电离层、对流层改正，设在GPS相邻历元i-1和i有相应观测值i-1，i和Ri-1，Ri，则用以下递推公式推算由载波相位的相距来改善伪距的精度： Ri=（k-1）（Ri-1 +i）/k + Ri/k （1-6）式中： i =i - i-1 （1-7）k是一个给定的常数，决定上述回归过滤技术的速率，其他符号意义同前。式（1-6）的实质是在伪距的计算中逐渐加大相应经相距修正的权，在实用中可以将式（1-6）式改写为下式： Ri=Pi（k-1）（Ri-1+i）/k +PriRi/k （1-8）式中Pi，Pri可理解成i ，Ri的权，可按下式给定： Pr1=1.0 Pi=1.0- Pr1=0.0 (1-9) Pri=Pri-1-0.01 当0.01= Pri=1.00 (1-10) Pi= Pi-1+0.01 当0.00= Pi =0.99 (1-11)若遇到一个周跳,则上述平滑过滤过程式中式(1-8)中的PiPri的赋值,须从式(1-9)重新启动。以上的平滑过滤技术适用于单频道接收到的伪距，如RL1。由式（1-8）求得了经载波相位平滑后的伪距Ri后，往后的伪距差分计算模式仍类同于式（1-3）。利用这类差分的定位精度在3-5m。1.1.4载波相位平滑双频道伪距差分技术的计算模式若用户站的GPS接收机除了能接收到L1频道上的伪距RL1之外，还能在L2上接收互相关的Y码值，即Y1-Y2，则由式（1-2）可求得相应于L2频道上的伪距RL2，由下式可获得已消除电离层影响的伪距Rt Rt=（RL2 - mRL1）/（1-m） （1-12）其中m=（70/66）2。式中可求得消除电离层影响的相位 t=1L1+2L2 （1-13）式中1=f12/（f21-f22） 2=-f1f2/（f12-f22） （1-14）式中f1和f2分别表示相应于L1和L2频道上载波的频率。 因此式（1-12）和式（1-13）中的伪距Rt和相位t除了噪声、多路径影响和可能的整周模糊度之外，是不再或很少再含有其他系统误差影响。若在没有周跳情况下，在GPS历元i的伪距Ri的最优估计值Ri可以由以下各式得到，先求当I=0（起始历元）时的伪距。 R0=Ri-Ij=1（j） （1-15）式中j的意义同式（1-7），同时式中的R和来自式（1-12）和（1-13）中已消除电离层影响的Rt和t但在式（1-15），（1-16）和（1-17）中都略去了下标t。由式（1-15）中不同i所对应不同的R0，算得平均值 R0-=nI=0Ri-Ij=1（-j/n (1-16)由此可得历元i时伪距的最优估计 Ri= R0- -Ij=1（-j） （1-17）用这一方法求得的伪距精度较高，在不同卫星高度角时，都达0.5m左右。至于后续的计算伪距差分的情况基本类同式（1-3）。利用这种差分定位精度可以达到1-3m。 总结 这4类差分方式的工作原理是相同的，既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，发送改正数的具体具体内容不一样，其差分精度也不同。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。但为了可靠地求出相位模糊度，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（Kinematics）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，能够实时给定载体的位置，精度为米级，满足了领航，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应用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术载波相位差分技术。载波相位差分技术即RTK技术(Real Time Kinematics),是差分技术中最为精密的一种,它是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的,能够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。前者是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。这里就主要介绍后者的解算原理。将基准站上观测的载波相位通过数据链传送到用户站。用户站静止不动观测若干历元后进行计算，求解其相位模糊度。这一过程称为初始化。求差法，即单差，双差和三差三种数学模型，已广泛应用于静态测量中，在很多文献中已有论述。这里只简单介绍其工作原理。在基准站和用户站上同时在 和 历元上观测了两颗卫星（I,j）,基准站的载波相位观测值由数据链实时传送给用户站。这样，用户共获得了8个观测值，即式(1):式中，N为整周相位模糊度，为相位小数，为卫星钟差，Page: 9 为用户接收机钟差， 为基准站钟差。单差:将两台接收机在同一历元观测同一卫星的载波相位观测值相减,得到4个单差方程, 式(2):从式（2）中看出，单差方程中已消去了卫星钟差。将两台接收机同时观测两颗卫星的载波相位观测值求差，即同一历元的单差相减，得到两个双差方程，式（3）：由式（3）看出，此双差方程中已消去了接收机的钟差。将两台接收机在不同历元上的观测值相减，即对双差方程求差，得到三差方程，式（4）：从式（4）中可看出，此处已消去了相位模糊度。在静态测量数据处理中，主要任务是求解基线矢量。因此它的计算程序是：利用三差求解出近似的基线长度，再利用浮动双差法求解出相位模糊度和基线矢量。将求得的相位模糊度凑整后，进行固定双差的计算，最后求解出精密的基线矢量。但在动态的应用中，我们要求的不是基线矢量，而是用户所在的实时位置。因此它的计算程序如下：（1） 在初始化阶段，静态观测若干历元。历元数目的多少取决于用户站到基准站的距离。在数据处理中，重复静态观测的程序，求出相应位置模糊度，并加以确认此相应模糊度正确无误。（2） 将求出的相应模糊度代入式（3）中，双差方程中只包括X,Y,Z三个位置分量。此时，只要观测3颗卫星就可进行求解。这样，在实际作业中，观测46颗星，就可实时准确无误地求解X,Y,Z。（3） 将基准站的地心坐标 输出，就可求得用户站的地心坐标：（4） 将当地坐标系与地心坐标的转换参数输出，就可得到当地坐标系的直角坐标：（5） 采用下式将直角坐标转换为大地坐标， 如下式：式中， a为椭球长半轴 e为椭球扁率载波相位差分技术RTK技术既有广阔的前景，又有着很大的难度。由于它的测量精度高，时间短，所以在快速静态测量，动态测量，准动态测量中得到广泛的应用，能快速高精度建立工程控制网和实际工程作业。同时，可进一步拓宽到实时三维动态放样，一步法成图等作业中。例如海上精密打桩工程，定点打孔炸礁，地籍测绘地图等。但是，这一技术仍存在着局限性。例如，基准站信号的传输延迟，给实时定位带来的误差。高波特率数据传输的可靠性及电台干扰更是影响工作的主要问题。目前，由于这一技术的先进性，已引起GPS生产厂商的关注。各种系统，诸如RTP，RTD, RTZ等不断问世，成为差分 GPS开发的重要方向。1.2广域差分GPS 1.2.1广域差分GPS的基本思想广域差分GPS（Wide Area DGPS，WADGPS）技术的基本思想是对GPS观测量的误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以“模型化”，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值，通过数据通讯链传输给用户，对用户GPS接收机的观测值误差加以改正，以达到削弱这些误差源影响，改善用户这些误差源的影响，改善用户GPS定位精度的目的。因此既削弱了LADGPS技术中对基准站和用户站之间时空相关性的要求，又保持了LADGPS的定位精度。因此在WADGPS系统众，只要数据通讯链有足够的能力，基准站和用户站之间的距离原则上是没有限制的。WADGPS所针对的这些误差源主要表现在以下几个方面： 卫星星历误差卫星时钟误差电离层对GPS信号传播产生的时间延迟。1.2.2广域差分GPS的工作流程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、若干个监测站、相应的数据通讯网络和若干个用户站组成。系统的工作流程分解来看，可以分为下面五个步骤： 在已知精确地心坐标的若干个GPS卫星跟踪站上，跟踪接收GPS卫星的广播星历、 伪距、载波相位等信息。 跟踪站所获得的这些信息，通过数据通讯网络全部传输到主控站。 在主控站计算出相对卫星广播星历的卫星轨道误差改正、卫星钟差改正及电离层时间延迟改正。 将这些改正值通过差分信号播发站（数据通讯网络）传输给用户站。 用户站利用这些改正值来改正他们所接收到的GPS信息，进行C/A码伪距单点定位以改善用户站GPS导航定位精度。 1.2.3广域差分GPS系统的基本构成 卫星跟踪站 对卫星跟踪站的要求首先是必须精确知道该站址的三维地心坐标，一般其点位精度（相对于ITRF而言）应不低予0.2m。对站址周围环境的主要要求是希望在360o视野内至少能有高度角5o以上的开阔天空。此外，跟踪站还应配备原子钟、能测定电离层时间延迟的双频GPS接收机、自动气象记录仪等。 跟踪站的任务是将其原始伪距观测数据、气象观测数据和当地电离层时间延迟改正等各类数据实时或准实时的传输到主控站，其中伪距观测数据主要用来计算卫星钟差，一般要求1秒钟一个采样，应而1秒就应传输1组观测数据。 为了使主控站能正确算出这三项差分改正，至少需要三个跟踪站。但为了改善计算结果的精度和进行检核，一般在WADGPS系统中，跟踪站个数不低于4-6个。 用户站 WADGPS系统中的标准用户站应该是利用C/A码的单频GPS接收机。用户站周围也希望在360o视野内有高度角15o以上的开阔天空。用户站还应具有能接收由差分信号播发站发送的差分改正信息的能力，用户站GPS接收机中的软件应保证这些差分信息能实时解出用户站的坐标。 主控站在WADGPS系统中最关键的是主控站。它通过数据通信网络接收各个跟踪站传输的GPS伪距观测值和电离层时间延迟改正值,结合本站相应的GPS数据,计算三类广域差分修正值,即对每一颗GPS卫星的星历改正、钟差改正和电离层时间延迟改正的8个参数。然后通过数据通信网络将这些差分信息传输给差分信息播发站。 差分信息播发站和数据通讯网络 WADGPS的数据通信网络和LADGPS的数据通讯链的主要区别在于多了跟踪站与主控站之间的数据通讯。主控站或播发站的数据传输和播发、数据通讯中的编码器和用户的解码器的功能都和LADGPS类似。但该系统要求覆盖面广，传输的信息量大，因此WADGPS中的跟踪站到主控站的数据传输和播发站向用户站的差分信息传输，常常须选用长波，卫星通讯等。显而易见，WADGPS系统中的数据通讯具有数据量大、速度要求快、通讯距离长、覆盖面大的特点。因此数据通讯网络是WADGPS技术中最复杂，投资最为昂贵的部分。（4）WADGPS的技术特点 WADGPS向用户站提供主控站计算出的主要误差源的差分改正值，从而顾及了误差源对不同位置测站观测值影响的区别。所以WADGPS技术克服了LADGPS技术对时空的倚赖性，而且保持和改善了LADGPS中实时差分定位的精度。WADGPS技术的特点是： 主控站和用户站的间隔可以增大至1000-1500Km甚至更长，且不会显著降低用户站定位精度。因此在中国这样大的国家里若要维持一定的GPS导航和定位精度，相对于LADGPS系统而言，WADGPS系统大大减少了基准站的数量。 由于能实时给出主要误差源的差分改正值，对于削弱SA的影响，WADGPS技术的效果要比LADGPS好（见表3，1992年12月美国斯坦福大学的C.Kee等人在有SA影响时试验得出的）。 表3技术类型GPSLADGPSWADGPS经度误差(m)1206036纬度误差(m)2637026高程误差(m)49127054总误差(m)57132071 WADGPS系统的作用覆盖区域可以扩展到一些困难地区，如远洋、沙漠。 WADGPS技术由于要求有较好的硬件、软件和高效率的强大通讯设备，因此投资、运行和维护费用相对说来就比较高，对操作和维持这一系统的技术要求也比LADGPS复杂的多。同时用户的GPS接收机在进行这种类型的差分改正时，需要更完善的接收设备和计算软件。第3章 数据链与数据格式差分GPS定位系统是由一个基准站和多个用户台组成。基准站与用户台之间的联系，即由基准站计算出的改正数发送到用户台的手段是靠数据链完成的。数据链由调制解调器和电台组成。通常，坐标差分可选对讲机，而伪距差分，RTK技术则应选择电台。考虑到森林中的环境以及对定位精度的要求，实施RTK. RTD技术时可选择便携的电台及有RTCM-102 数据接口的手持式DGPS接受机。3.1电台选择 目前，市面上的电台分为两类：一类为直接传输，甚高频（VHF）,超高频（UHF）, 一般以视距直接通视的方式，25 W的功率传输，作用距离达20100km，这种设备简单易用。另一类为地波传输，包括低频（LF）和中频（MF），这种信号能沿地球表面传播，能饶过建筑物和山丘，作用距离可达10002000km，适合于国家级固定型GPS差分站。在森林资源调查，监测及环境评价定位中，我们选择频率为60MHz的MOTOROLA sm120 UHF电台，标称作用半径为50km, 实际在山区，林区为30km，在平原，开阔地区为50100km。当然，林区防火了望塔上的UHF电台是实施DGPS 值得利用的资源，可有效地节省DGPS费用，并不影响一旦发生火灾时的通话（语音联系）。3.2调制解调器 调制就是利用调制信号这里指差分改正信号去改变载波的某一参数的过程。常用载波为正弦波，表征正弦波的参数为振幅，调频和调相解调是调制的相反过程，即从已调制载波中解调出用户感兴趣的信号差分改正数等。 一般DGPS系统选择数字调幅，数字调频，数字调相。RTD技术选择频移键控（FSK），波特率1200bit/s；RTK技术选择高斯滤波的最小频移键控MSK，即GMSK，波特率为9600bit/s。 FSK利用二元数字信号调制载波频率。当数字“1”和“0”分别控制两个独立的载波频率时，便形成FSK调制。已调信号波形为：式中，初始相位 是在（-，）内均匀分布的随机变量。 调制解调器与电台，GPS OEM之间一般通过RS-232C联系。3.3 NMEA-0183数据格式 NMEA-0183是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式0180和0182的基础上增加了GPS接收机输出的内容而完成的。目前广泛采用的是Ver 2.00版本。现在除少数GPS接收机外，几乎所有的接收机均采用了这一格式。为了有效地开发GPS芯片，必须熟练地掌握这一格式。因此这里将叙述部分与GPS定位有关的标准格式。 格式定义数据采用ANSI标准，以串口非同步传送，每个字的参数如下： 波特率 4800bit/s 数据位 8bit 奇偶校验 无 开始位 1bit 停止位 1bitNMEA-183的每条语句格式如下表所示。符号(ASC)定义HEXDEX说明$起始位2436语句起始位Access“,”C.C“*”hh地址域域分隔号数据块总和检验域总和检验数终止符 2C2AOD,OA444213,10前两位为T ALKER识别符，后三位为语句名域分隔号发送的数据内容此符号后面的2位数字是总和检验总和检验数回车，换行例如， GGA GPS固定数据，这是一帧GPS定位的主要数据，也是用途最广泛的数据。3.4 RTCM-104数据格式国际航运事业无线电技术委员会（RTCM）于1983年11月为全球推广应用差分GPS业务设立了SC-104专门委员会，以便论证用于提供差分GPS业务的的各种方法，并制定各种数据格式。1985年11月发表了Ver1.0版本的建议文件。经过5年的实验研究，取得了丰富的试验资料，对文件版本进行了升级和修改，于1990年1月公布了Ver2.0版本。新版本提高了差分改正数的抗差性能，增大了可用信息量。从多次试验表明，差分定位精度由原版本的810m提高到5m，通常可达23m。如果应用载波相位信息和积分多普勒技术，则可以使定位精度提高到1m。这是鼓舞人心的事。现在的商用GPS接收机除了编制自己的格式外，都配有通用的RTCM SC-104格式，有的就采用了这一通用格式。为了适应载波相位差分GPS的需要，1994年1月又公布了Ver2.1版本。这一版本保留了基本电文，增加了几个支撑实时动态定位(RTK)的电文。开发GPS技术的用户已经熟悉了GPS电文。在RTCM电文的字长，字格式，奇偶校验规则和其他特性。两种格式的主要差别在于GPS电文格式中各子帧的长度是固定的，而差分GPS电文格式采用要变长度的格式。在编辑中要考虑以下因素： 增强奇偶校验规则，以检验出数据中的误差，避免将错误改正数发送给用户，提高用户使用的可靠性。 一般用户不需要数据链的奇偶校验，不需要在数据传输过程成中的控制。这样，在多数应用中，不需要数据链奇偶校验和编码方案。 奇偶校验规则，搭接边界规则，求解模糊度符号，在双相调制数据传输中统一协调解决。 采用30bit和50Hz传输率相匹配，字边界时间为0.6s的整倍数，便于定时控制。以 前采用的32bit只能在16s内有一次相遇。RTCM-104格式共有21类63种电文形式，比较重要的有电文1-DGP改正数，电文2-DGPS改正数。 时刻t的伪距改正数为：式中， 为16bit的伪距改正数，RRC为8bit的伪距改正数变化率， 为第二字码的改正Z记数。经改正后的伪距为： PR(t)=PRM(t)+PRC(t)PR(t)为差分改正后的伪距值，PRM(t)为伪距观测值，PRC(t)为t时刻的伪距改正数。用户差分测距误差（UDRE）的1估值可由基准站提供，一般而言 （单位权方差）。 现在将电文格式和类型介绍于后：3.4.1电文格式各个电文类型的格式不同。每一帧电文由不同数目的30bit字码组成。每一电文字包括引导字和参数组成。字码中前24个字为数据，后6个字为海明奇偶校验位与GPS发射的电文相同。一般计算机都是16bit或32bit字长，而SC-104选择了30bit字长，这样，与每秒50bit的导航电文相匹配，字的边界将出现在0.6秒的整数倍处。应用0.6秒单位作为标志参考时间到电文参数的基本时间间隔。参考时间称为修正Z计算。他是卫星导航电文中z计数形成的，z计数是GPS卫星的基本时间单位。它是29bit二进制数。每一帧电文的前两个字为字头，内容都相同，为8bit（01100110）的引导字，后接电文类型、参考站识别符、修正z计数，每帧增量的序列号、帧长和参考站健康状况。3.4.2电文类型SC-104一共规定了26类电文（表1），有些是固定的，有些是试用的。1个电文放弃不用，9个备用。下面简单介绍几帧最重要的电文： 表1电文类型状态内容1固定差分GPS改正数2固定差分GPS改正数3固定基准站参数4放弃测地工作5试用卫星星座健康状况6固定零帧7固定信标历书8试用伪卫星历书9固定部分卫星差分改正数10备用P码差分改正数11备用C/A码,L1,L2改正数12备用伪卫星参数13试用地面发射机参数14备用测地辅助电文15备用电离层、对流层电文16固定专用电文17试用星历、历书18试用未改正的载波相位观测量19试用未改正的伪跨观测量20试用RTK载波相位改正数21试用RTK伪距改正数22-58-未定义59试用 专利信息60-63备用其他用途信息 电文1 这是一帧最主要的电文。它提供C/A码的伪距改正数PRC（t）以供给用户改正在t时刻的伪距观测量PRM（t）。改正数分为两部分，一部分是修正z计数参考时间的伪距改正数PRC（t0），另一部分为伪距变化率改正数RRC，则改正数为： PRC(t)=PRC(t0)+RRC(t-t0) (1-18)用户台改正后的伪距为： PR（t）=PRM（t）+PRC（t） 此电文除了伪距变化率的改正数外，还包括比例因子（s）、用户差分定位精度（UDRE）、卫星标识符（ID）和数据发布期（IOD）。比例因子确定了伪距和伪距变化率改正数的单位。分为两档：高精度状态，伪距为0.02m和变化率为0.002m/s；低精度时，伪距为0.32m和变化率为0.032m/s。UDRE是由基准站提供的，0-=1m,1-=4m,2-=8m,3-8m。ID为卫星编号，IOD为数据发布期，与GPS电文相同，它保证用户台使用与基准站相同的星历和时钟参数。 电文2 当基准站应用新的一组轨道参数、时钟参数，用户台也采用时，这之间存在着时延，此时需要电文2。电文2包括转换两组参数时的伪距和伪距变化率的差值，称为伪距改正数和伪距变化率改正数。用户采用此电文直到收到新的一组参数为止。跟踪能力强的接收机可省去这一组电文。 电文3 此电文包括基准站的x，y，z坐标，精度达到厘米级。此坐标为WGS-84坐标系。 电文4 原计划基准站发射载波相位，以供用户台进行精密定位。由于相对测量中的精确时标难于统一，而采用了RTK技术予于代替，所以这一帧电文已经放弃。 电文5 此电文为卫星星座健康状况。它包括基准站观测的卫星健康状况、信噪比，作为观测时的参考。 电文6 此电文为零帧，无内容。它包括两个字头字码或一个字头加交替“1”“0”的24bit数据组成。 电文7 此电文提供用于差分GPS的无线电信标的性能，包括识别符、位置、频率、服务范围、健康状况、调制方式以及纠错方式。此电文对大范围运动的用户特别适用。 电文9 此电文于电文1格式相同和用途相同。其最大差别是电文1包括了基准站跟踪全部卫星的伪距改正数和伪距变化率的改正数。而电文9只包括了三个卫星的改正数。即将电文1分成3组由电文9发送出去。这样设置优点为：第一，减少电文1的发送时间，改善了定位精度，特别是在伪距和变化率改变大的时候。第二，通用电文字头发送速率提高3倍，使用接收机同步的机会大大增加。 电文18-21 此电文是用于发送RTK信号的电文，这组数据可供给飞行运动中（OTF）求解相位模糊度。电文18为载波相位观测量，电文19为伪距观测量。这些数据未经过任何改正，是基准站观测的原始数据。电文20和21是载波相位和伪距改正数，它是由基准站的已知精度坐标计算出来的。在电文中采用适当的标志来识别L1，L2，电离层差改正、载波相位和伪距数据。其中L2载波相位为半波或全波，电离层改正是由L1 C/A码或P码计算的，伪距是由C/A码或P码计算的。 电文18-21包括着测量的GPS时间，由于提高字头中z计数的分辨率。此电文也包括数据质量评定。这是由载波相位中未改正的周跳次数来表征。同时，给出基准站伪距多路径误差的估值。 3.4.3电文结构 RTCM电文是由二进制编码的数据流组成。每一RTCM电文是由（N+2）个30bit字组成。每个字分解为5个6bit的字节。这样可允许在标准计算机UART间串行传递。在RTCM中，其MSB（最高位）标为d1，LSB（最低位）标为d30。这样d1-d6包含在字节1中，d25-d30包含在字节5中。字节5为奇偶校验码，用于校验接收到的RTCM数据。RTCM电文结构包括两个字头和后接N个数据字。解码的字头包括1个引导字、各电文的字数N、电文类型和其他数据。RTCM电文格式采用6/8（bit1-6，bit1为LSB）进行数据传输。Bit7设置为标志位，bit8设置为空格。这种编码规则对RTCM字节而言在十进制64-127之间有效。凡大于127和小于64的字节对RTCM均无效3.4.4电文解码 接收机在接收到RTCM电文后，按照以下次序对电文进行解码： 字节扫描在接收到每一字节后的第一件事是进行字节扫描。只允许有效的RTCM电文通过并进入解码过程。如果字节位于64-127之间，则这一字节有效。如果字节小于63和大于128，则此字节被删除。 字节滚动 RTCM字节经滚动后便形成0-63的整数阵。滚动按表格2所示的格式进行。参照该表的内容可以很清楚的掌握滚动规律。 表2由UART口接收字符滚