CORS基准站差分改正信息生成的探讨毕业论文.doc

CORS基准站差分改正信息生成的探讨毕业论文目录摘 要1ABSTRACT2前 言3第1章 GPS定位原理51.1. 概 述51.2.GPS定位原理61.2.1.GPS定位的基本原理61.2.2.导航电文71.2.3.GPS测距方法91.2.4.GPS定位方法121.3.GPS定位误差来源141.3.1.GPS卫星相关因素141.3.2.传播途径相关的因素161.3.3.接收相关的因素17第2章 差分GPS原理182.1.差分GPS原理182.1.1.差分GPS概述182.1.2差分GPS分类192.2. 常规RTK252.2.1.RTK概述252.2.2.RTK系统组成262.2.3.RTK工作原理262.2.4.RTK的优缺点262.3. 网络RTK272.3.1网路RTK原理概述272.3.2.网络RTK工作方法27第3章 GPS连续运行参考站系统293.1. GPS连续运行参考站系统概述293.1.1.系统简介293.1.2.系统组成293.1.3.工作原理293.2. GPS连续运行参考站测量方法303.2.1.单基准站差分GPS303.2.2.局域差分GPS303.2.3.广域差分GPS313.3. GPS连续运行参考站网络改正数的计算323.4. 实时动态测量差分GPS改正数据的输出333.5. 使用FTP服务器分发RINEX格式的数据333.6. RTCM电文编码与解码333.6.1.RTCM SC-104简介333.6.2.RTCM电文解码分析343.6.3.RTCM电文实验数据译码示例363.7. RTCM3.2电文传输方式实时动态测量精度验证37第4章 总 结39参考文献40附 录42致 谢46前 言 连续运行参考站系统（the Continuously Operating Reference Station ,CORS）是一个GNSS增强系统，该系统是利用差分技术，通过Internet向全球范围内的GNSS用户提供实时的差分改正信息，以用于流动站观测值的改正，提高测量精度。该系统应用广泛，主要用于测绘、制图及GIS应用，同时还可用于学术研究等服务。随着科学技术的不断发展，数字城市、数字地球等概念已经成为了城市发展的趋势。连续运行参考系统是实现空间地理数据实时化采集、自动化处理、网络化服务和社会化应用的先进技术手段之一，是城市地理空间基础设施建设的重要组成部分。由于该系统可以满足不同行业、不同用户对精密定位、快速定位以及导航的需求，同时，具有降低成本、缩短作业时间、提高测量效率和定位精度等优势。所以，在全球范围内实现CORS站的覆盖必将成为未来发展的方向。CORS系统实质是一个卫星导航定位系统，该系统必须以GNSS系统为基础。目前，全球成熟的GNSS系统主要有美国的GPS系统，中国的北斗系统，欧盟的Galileo和俄罗斯的GLONASS系统。本文主要以美国的GPS系统为例，介绍一下GPS连续运行参考站系统。近年来国内、外都在积极开展GPS连续运行参考站系统的建设。目前，美国海岸警备队已经建立了海上DGPS提供美国大陆沿海、大西洋等地区免费服务。同时，美国交通部正在讨论建立覆盖全美的NGPS网，该网将为美国政府和公众提供增强型导航和定位能力，主要用于公众安全、交通管理、车辆与铁路运输控制、紧急突发事件发布、内陆水路导航、自然资源调查等方面。加拿大主动控制网(Canadian Active Control System,CACS)，是加拿大国家大地测量局建立的国家大地动态控制网，可实现全国范围内的实时GPS改正服务，其目的是为加拿大测量和地球物理部门提供改进的GPS定位服务，同时满足其他空间参考系统的需要。德国、比利时、瑞士、日本、韩国及其他国家同美国、加拿大一样，也建立了类似GPS连续运行参考站的系统。我国在沿海地区已经建立了由20个无线信标台组成的中国沿海无线差分GPS系统，它的主要目标是成为一种国际化、现代化的导航系统。同时，许多省级、城市级连续运行GPS参考系统已经建成投入使用，例如：四川省、江苏省、北京、上海、深圳、昆明、天津、重庆、武汉、济南、南宁等城市。西安作为国际化的大都市，也正在着手建设属于本城市的CORS系统。建成的系统将能为政府和社会提供多层次、多方面的服务。在定位层次方面，该系统将提供毫米级、厘米级、分米级和米级定位精度的服务；在服务的范围方面不仅能提供高精度的定位服务，而且还能提供相关的非定位服务，如：准确授时、精确气象预报、电力层及对流层研究和环境保护等。因此，把CORS系统这一高新技术应用于城市规划、市政建设、交通管理、城市基础测量和工程测量、气象预报等，可服务于多个领域，以达到“一个平台，一次投入，多种服务”的效果，从而促进城市现代化的建设。鉴于该系统存在众多的优点，我坚信，在不远的将来CORS系统将会在全球覆盖，成为城市测量的主流。第1章 GPS定位原理1.1. 概 述 GPS系统是美国从上世纪70年代开始建设的，历时20多年，在1994年全面建成。建设期初主要是为了利用该系统为美国海、陆、空三军提供精密的导航服务。但随着GPS不断的发展，该系统逐渐向民间用户开放。利用该系统可以向全球的GPS用户提供实时的、连续的高精度导航和授时服务。该系统由三部分组成，包括地面控制部分、空间部分和用户设备部分。地面控制部分主要是用于跟踪、监测和控制卫星的运行。该部分主要包括主控站、监控站和注入站。监控站用于接收卫星信号，监测卫星的运行状况，监测数据将被发送到主控站，主控站根据这些数据计算出卫星星历和卫星钟差等参数。然后通过注入站将这些信息注入到卫星中去，卫星将这些信息以导航电文的形式发送给用户设备部分。GPS空间部分由24颗卫星组成，其中有3颗备用卫星。这24颗卫星分布在6个轨道上，每个轨道都是由南向北的椭圆轨道，轨道倾角为55，轨道平面之间的夹角为60。每个轨道上各颗卫星之间的升交角距为90。GPS卫星平均距离地面两万公里，绕地球一周耗时12个恒星时，在地球上的任何位置，每时每刻都能保证接收到至少4颗卫星信号。GPS定位系统因其具有定位精度高、观测时间短、测站之间无需通视、可提供三维坐标、操作简单、可全天候作业等优势，使得该系统在全球得到了广泛的应用。实践证明，利用GPS进行绝对定位时可达到米级的精度，而使用相对定位的方法可达到毫米级的精度。不但定位精度高，而且定位时间短，随着GPS接收机软、硬件的不断升级，定位时间也在不断的缩短。快速静态定位仅需要20分钟左右，而动态定位在几秒钟就能实现厘米级的定位结果。与传统的常规测量所不同的是，GPS测量是利用卫星信号进行定位的，它只需要对空通视即可，而不需要测站之间通视，因此可节省造标费用。另外，GPS观测的成果是WGS-84坐标系下的三维坐标，而经典大地测量得到的成果往往是将高程和平面坐标分开的。目前，随着我国大地水准面精化工作的进行，GPS水准已经可以满足四等水准的需要。GPS观测可在任何时间、任何气象条件下进行观测，受气候条件影响小。GPS定位系统不仅可以用于测绘、导航、变形监测，还可以用于测速、授时等相关服务。目前，随着科学技术的不断发展，GPS应用的领域也在不断地扩张。在定位导航方面，主要为船舶、汽车、飞机等运动物体进行导航定位，同时也逐渐应用于个人通讯终端定位、个人旅游、野外探险、紧急救生、地面车辆跟踪、城市智能交通管理等方面。在测速、授时方面，主要用于电力、邮电、通讯等网络时间和频率的同步，运动物体速度的测量等。在高精度测量领域的应用主要包括军事目标的精确打击、导弹的定位与导航、各等级的大地测量和控制测量、工程测量、桥梁和大坝的变形监测、精准农业等。1.2.GPS定位原理1.2.1.GPS定位的基本原理图 1-1：GPS定位原理图（1-1）GPS定位的基本原理是把天空中高速运动的卫星作为空间已知控制点，利用距离空间交会的方法确定空间点位的位置。原理如图1-1所示。所以，GPS测量过程中的关键是要确定卫星发射信号瞬间的空间坐标（X,Y,Z）和卫星距离地面控制点之间的距离两个量。确定卫星位置的工作是由地面控制中心根据每个监测站对卫星长期的监测数据确定卫星在协议天球坐标系中的空间位置，然后通过坐标系转换求出卫星在WGS-84坐标系中的位置。确定卫星到地面控制点的距离是通过卫星测距的方法得到的。由于GPS测量过程中涉及到了地面点位坐标（x、y、z）和接收机钟差四个参数，所以每台接收机必须同时观测四颗或四颗以上的卫星才能确定控制点的位置。定位的数学模型如式（1-1）所示。上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和为未知参数，其中分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。为GPS信号的传播速度（即光速）。x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。为接收机的钟差。为其它误差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差。1.2.2.导航电文GPS卫星信号概述GPS卫星信号是一种经过二级调制而形成的调制波。它是先用低频的数据码去调制高频的伪随机噪声码，从而形成一个新的Gold组合码。然后再用组合码去调制L载波，形成最终的GPS卫星信号。GPS卫星信号由第一导航定位信号和第二导航定位信号两部分组成。详细内容如图1-2所示。图 1-2：导航电文信号组成 导航电文组成所谓导航电文，是指卫星向广大用户发送的包含导航信息的数据码，它是一种由二进制码组成的编码脉冲串，也称为D码，其码率为50bit/s。导航电文中主要包括了卫星星历、卫星工作状态、卫星历书、时间系统、星钟改正参数、轨道摄动改正参数、大气折射改正参数、遥测码以及由C/A码确定P码的交换码等信息。它是用户利用GPS进行导航定位的数据基础导航电文是以帧为单位向外发射的，发射的频率为50bit/s。一个主帧的长度为1500bit，共包含5个子帧，发送时间总共需要30秒。每个子帧又分为10个字，长度为300bit，每个字的长度为30bit。其中第4、5子帧各包含25页，每页包含不同的内容。完整的导航电文接收完需要750秒。导航电文中的数据分为三个数据块，各包含了不同的参数，这些参数是接收机进行定位的基础。第一数据块包括了第1子帧的第3至第10个字，主要包括以下内容： WN卫星时间计数器 调制码标识 URA卫星测距精度 表示导航数据是否正常 TGD电离层延迟改正参数 AODC时钟数据龄期 toc卫星时钟参数对应的参考时刻 卫星钟改正参数第二数据块包括了第2和第3两个子帧，主要是卫星星历。这部分提供了有关卫星位置解算的信息，是卫星导航定位的核心部分。 开普勒六参数 轨道摄动九参数 时间两参数第三数据块包括了第4和第5两个子帧，主要是卫星历书数据，用于计算卫星在空间的概略位置，以供接收机选择工作状态正常，位置适当的卫星进行跟踪。 1-24颗卫星的历书（概略星历） 卫星健康状况和GPS星期编号 识别符 25-32颗卫星的历书 反电子欺骗的特征符 电离层延时改正模型卫星位置的求解GPS接收机跟踪到卫星后便开始接收卫星信号，接收到的信号是一种调制波。利用伪随机噪声码的自相关性技术可以实现本地码与被测码的同步，同步后必须对调制波进行解调，同时从中提取测距码和导航电文，同时恢复载波。信号解调的过程就是将跟踪信号转换成导航数据，然后再将导航数据按照固定的格式转换成导航电文。前者称之为位同步，后者称之为帧同步。子帧同步完成后就得到了导航电文，根据导航电文中提取的卫星星历参数可以计算卫星发射信号瞬间的空间位置、速度和时间。此时GPS定位中已知控制点的问题就得到了解决。1.2.3.GPS测距方法伪距测量原理卫星测距有伪距测量和载波相位测量两种方法，伪距测量的原理是利用电磁波信号在大气中传播的速度和行程时间来确定的。假设卫星测距码信号在大气中的传播速度等于光速，从卫星发射信号到接收机收到信号所用的时间差为，那么卫星到地面接收机的距离就近似等于： (1-2)但在实际的测量过程中由于卫星钟差、接收机钟差、大气层延迟差等误差的影响，导致测量地距离不等于卫星到控制点的真实距离。所以习惯上称之为伪距，与其相对应的定位方法称之为伪距定位法。卫星上的位移寄存器是由若干个D型触发器组成的，它不仅可以暂时存放数据和指令，而且可以让数据在位移脉冲的作用下向左或者向右移动。线性的位移寄存器是一种特殊反馈电路的位移寄存器，这种位移寄存器可以产生一组具有周期性的m序列。而m序列是一种具有很好的自相关和互相关性的伪随机噪声码，可以作为良好的测距信号。卫星上的原子钟可以发出固定频率的电磁波信号，该信号通过频率放大器放大之后，生成两个不同频段的载波。测距码（C/A码、P码）和导航电文（D码）经过模2和运算之后形成一种新的组合码，这种组合码被调制在载波上，由卫星发送给用户接收机。由于接收机钟与卫星的原子钟在时间和频率上是保持同步的，所以接收机锁定卫星之后便可以复制出与卫星发射信号同步的相同伪随机噪声码，但是由于信号传播时间的延迟，复制码与接收码之间存在偏差，利用接收机内的时间延迟器来调整复制码与接收码，使两者完全对齐，此时两个伪随机序列之间的相关性达到最大值。此时，延迟器中测出来的时间差就是卫星信号在大气中传播所用的时间。用这个时间差乘以光速，然后加上卫星钟差、接收机钟差、大气层延迟差等误差的改正数便可得到真正的卫地距离，即： (1-3)将上式代入到卫星定位方程中可得伪距测量定位方程： (1-4)由于GPS接收机产生的复制码在与接收码对齐时不能做到精确对齐，即相关系数约等于1，所以这必然会影响到测距的精度，一般只能达到测距码波长的1/100。以C/A码为例，公布的测距码波长为293米，所以伪距测量能达到的最高精度为，所以很难满足高精度测量的需要。载波相位测量原理载波相位测量的基本原理是利用GPS卫星从发射信号到接收机接收到信号这段时间内相位的变化来确定卫地距离的。例如，GPS卫星发出信号瞬间的相位值为，当相位为时信号到达接收机，那么这段距离的相位差为，而这段相位差中包含了整周部分和不足整周部分。因为载波信号是一种正弦波，波长为，所以卫地距离可以用下式表示： (1-5)GPS卫星上的原子钟能发出固定频率的正弦波，该波经过扩频后生成了两个没有任何标记的正弦载波。但是GPS接收机上的鉴相器可测出正弦波上不足整周的部分，而整周部分则不能准确的求出。卫星信号在传播的过程中受到各种因素的影响，往往会出现周跳，导致部分波段缺失，所以在数据处理之前还需要进行周跳探测和修复。由于接收机接收到的卫星信号是一种调制波，该信号中已经利用模2和的方法调制了测距码和导航电文，所以导致调制波相位在调制信号由0变为1或由1变为0是发生180变化。因此在利用载波进行测距时首先必须进行信号解调。理论上接收机钟与卫星上的原子钟在频率和时间上是保持严格同步的，因此，接收机在锁定卫星后便可以复制出与卫星发射信号同步的相同波形。例如，接收机锁定卫星后进行首次观测瞬间，复制载波信号的相位为，该相位代表此时卫星正好发射出的载波信号的初始相位，而此时接收机收到的信号为，所以卫星到接收机之间的相位差为。这部分相位差仍然由整周部分和不足整周部分组成，即： (1-6)随着卫星的不断运动，卫星到接收机之间的距离会逐渐变化，复制信号和卫星观测信号之间的相位也在不断地变化。但是在任何时刻卫星信号与复制信号之间的相位差的变化量实际上就是这两个时刻之间卫地距离的变化量。自从首次观测之后，随着卫地距离的变化接收机中的多普勒频移计数器能计算出卫地距离变化量所对应的相位变化量的整周数，鉴相器能检测出不足整周数，即： (1-7)综合整个观测过程，可以看出完整的载波相位观测值是由、和三部分组成，如图1-3所示。即： (1-8)所以，卫星到接收机之间的距离为： (1-9)将上式代入到卫星定位方程中可得载波相位测量定位方程： (1-10) 上式中，包含的未知参数与伪距测量定位方程不同。在上式中的未知参数有用户感兴趣的测站坐标（x、y、z）和一些多余参数，如：接收机钟差、卫星钟差、整周模糊未知数和其他误差参数。为了消除或者减弱这些多余参数，在GPS数据处理时经常采用一些虚拟的观测值。这些虚拟观测值是通过在接收机、卫星和卫星历元之间相互求差而得到的，例如，单差、双差和三差观测值。图1-3：载波相位测量原理图1.2.4.GPS定位方法静态定位 静态定位是指在定位过程中接收机相对于参考坐标系没有发生空间位置的变化，或者发生一些可以被忽略的缓慢变化，在整个观测过程中认为接收机的位置坐标是一组常数。静态定位主要通过重复观测来提高定位的精度和可靠性，同时，静态定位可以与绝对定位和相对定位结合使用，以提高定位的质量。因此在大地测量、工程测量等领域得到了广泛的应用。动态定位动态定位是指在定位的过程中，接收机相对于参考坐标系发生了空间位置的变化，而这种变化直接导致了接收机在不同的观测历元的位置坐标是一组变量，需要随着时间的变化不断进行求解。动态定位由于在每个待测点上观测的时间短，数据量少，所以定位的精度相对静态定位低。但是动态定位具有效率高、设站灵活的特点，因此，动态定位也可以和绝对定位、相对定位方法结合使用，以提高定位的效率。而且，动态定位可应用于一些静态定位无法满足的领域，如：卫星定轨、导弹制导，交通管理等领域。绝对定位绝对定位是指利用一台接收机的观测值来确定该接收机在协议地球坐标系中的绝对位置，绝对定位又称为单点定位。绝对定位的优点是定位要求低，只需要一台接收机即可，外业作业时便于组织，实施方便，数据计算也比较简单。由于绝对定位是利用一台接收机来确定点的空间位置，大部分的误差不能有效的抵消或消除，所以绝对定位的结果受卫星星历、卫星钟差残差、电离层延迟差、对流层延迟差、多路径效应的影响较大，因此，定位的精度很低，一般100米左右。利用绝对定位进行动态定位时，由于每个点上只能进行一次观测，所以精度和可靠性非常低，通过平滑和滤波等方法消除噪声可适当提高定位精度，但仍很难达到一般工程的要求。因此，动态单点定位只能应用于一些对点位精度要求较低的领域，如：车辆、船舶、飞机导航等领域。利用单点定位进行静态定位，由于每个点上有重复观测，通过平差处理可以有效地提高定位精度。当观测时间较长时，可以达到米级或分米级的精度。因此，一般应用于以及资源调查、地质勘探、环境监测等领域。相对定位相对定位是指利用两台或者两台以上的接收机同步跟踪GPS卫星信号，以确定接收机之间的相对位置的方法。两台接收机之间的相对位置可以利用基线向量来表示，所以，相对定位的过程就是求解接收机之间基线向量的过程。由于相对定位的接收机之间的空间位置与卫星到接收机的距离相比显得非常近，因此接收机之间的许多误差也具有相关性。在相对定位过程中通过，通过求差法可以有效的减弱或者消除大部分误差，因此可以获得较高的定位精度。但是相对定位过程比较复杂，需要至少两台接收机，外业实施和内业数据解算都比较麻烦。静态相对定位是指接收接之间保持相对静止状态，通过同步观测GPS卫星来解算点位的空间位置的定位方法。静态相对定位不仅通过求差法消除了大部分观测误差，同时由于每个点位上都存在多余观测，因此可以达到非常高的定位精度，而且可靠性强，是目前所有定位方法中定位效果最好的定位方法。一般情况下，长距离的高精度GPS静态相对定位可达到级的精度。所以，该方法主要用于一些精密的工程测量中，如：建立和维持各种参考框架、测定板块运动、变形监测和布设各等级控制网等。动态相对定位是指在GPS定位过程中接收机之间的基线向量随着时间的变化处于动态的变化过程中。动态定位分为两种，一种是定位接收机都处于相对运动状态，即“动-动定位”。例如，飞机编队飞行、飞机空中加油、舰载机在航母上着陆、航天器空中对接等都属于这种定位模式。另一种是，定位接收机中有些接收机处于静态，有些接收机处于动态，即“静-动定位”。例如，RTK定位、CORS定位等测量技术都是采用这种定位模式。由于动态相对定位时，接收机之间的基线向量处于动态变化状态，因此，要结算接收机之间的相对位置，就必须按观测历元进行解算。由于动态定位观测时间短，误差消除不彻底，所以定位精度低于静态相对定位，一般只能达到厘米级或者分米级的精度，可以满足部分工程测量的要求。由于动态定位具有成本低、效率高、定位精度好的特点，所以得到了广泛的应用。1.3.GPS定位误差来源 空中的每颗GPS卫星都配备了高精度的原子钟，这些原子钟的时间误差非常小，每300001000000年的最大时间误差不超过1秒。为了是它更精确，地面控制中心会定期对其进行调整或同步。卫星位于高空平均距离约20000公里的轨道上，从卫星发射测距信号到接收机接收到信号的时间大约需要67.3毫秒，信号传播1公里约耗时3.33微秒。我们使用GPS定位,将会受到各种因素的影响。GPS定位的准确性影响因素可以分为GPS卫星相关因素、传播途径误差和接收机相关误差三类。下文将将具体论述。1.3.1.GPS卫星相关因素SA和AS政策SA政策是指选择可用性（Selective Availability，SA）技术。自从1994年3月份，GPS卫星系统全面建成之后，美国从其国家安全利益的角度出发，在卫星的信号中人为地引入了干涉信号,人为地降低非特许用户导航和定位精度。这些干涉信号主要包括对GPS卫星基准频率引入高频抖动信号、导航电文引入技术和P码加密三个方面。随着差分GPS技术的提出，民间用户发现这种技术对SA政策的影响有很好的消除作用，于是向美国白宫提出取消SA/AS政策的要求。2004年5月1日，美国总统克林顿宣布停止对GPS卫星实施SA政策。AS政策是指反电子欺骗（Anti-Spoofing，AS）技术，其目的是为了提高P码的保密性。由于P码具有很高的定位精度，为了防止非特许用户盗用P码进行导航和定位。1991年7月1日，美国政府为了保证自身的安全，在Block卫星上实施了AS政策。它是将P码和一种保密性更好的W码进行模2和运算后形成的一种新码M码。只有利用美国国防部授予的解码秘钥才能将P码解码，从而消除AS政策的影响。卫星星历误差卫星星历误差是指GPS卫星星历给出的卫星空间位置与实际的空间位置之间的差值，卫星星历误差主要取决于定轨的精度。由于卫星定位是将空间卫星的瞬时坐标作为已知控制点进行定位的，所以卫星星历的精确程度直接决定了GPS定位质量的好坏。卫星在太空中运动时受到各种摄动力的影响，导致卫星的运行轨道在不断的变化。地面监控站通过实时观测卫星轨道根数及其变化率，来预测卫星在一定时段内的运行轨道，然后将该时段内卫星的轨道参数通过注入站上传到卫星中去，由卫星以导航电文的形式发送给用户。卫星星历误差通过接收机之间的一次求差便可消除，所以采用相对定位的方法可以有效的避免卫星星历的误差影响。另外，采用精密星历也可减弱该项误差的影响。卫星钟差GPS测量中卫星和接收机都采用的是GPS时，它是一种原子时。卫星时钟所给出的时间与标准GPS时间之间的差值即为卫星钟差。卫星钟差包括两个方面，一种是由于卫星钟与标准GPS时不同步所引起的物理同步误差，另一种是由于信号群延而引起的卫星钟差改正。前者受卫星钟差、钟速、钟的老化率和钟的稳定度四个方面的因素影响，地面控制中心依据前一段时间的跟踪资料来量化上述四个方面因素影响值，并将其以导航电文的形式预报给用户。地面控制中心会将物理同步误差控制在1毫秒之内。后者是由于不同卫星信号离开卫星天线相位中心的时间不同的而引起的信号群延，而导航电文中给出的卫星钟误差却是一个相对于平均天线相位中心的误差，它是通过双P码来测定并预报的。虽然所有的卫星信号都是在卫星原子钟的驱动下产生的，但是不同的信号在离开发射天线相位中心的时间却是不同的。所以对于使用其他测距码的用户不能直接使用导航电文给出的钟差，而要在此基础上加上对应信号的延迟钟差改正。经过卫星钟差改正后，卫星钟并不能与标准GPS时保持严格同步，而是存在一个差值，这个差值称之为卫星钟的数学同步误差。由于这项误差虽然客观存在，但是差值很小，所以在导航和低精度单点定位中通常忽略该项误差。由于信号在空中是以光速进行传播的，所以卫星钟差会对伪距测量产生很大的影响，必须进行仔细的改正。一般的改正方法有采用精准的卫星钟差和采用相对定位的观测方法，通过卫星间一次求差法有效消除或减弱误差。相对论效应根据爱因斯坦相对论理论，在惯性参考系中，两个相对运动的时钟之间会产生频率差。卫星在绕着椭圆轨道运动时在不同的位置速度是不同的，因此引起的钟频率改正值也是一个不断变化的值。通过计算可知，相对论效应引起的测距无最大可达到6.864米，所以在单点定位中必须考虑到该项误差的影响。由于相对论效应引起误差的根本原因在于卫星钟频率的变化，因此减弱该项误差主要通过人为改变原子钟的频率来实现。接收机在惯性参考系统的位置相对稳定，所以相对论效应产生的影响非常小，通常忽略不计。卫星信号发射天线相位中心偏差卫星信号发射天线相位中心偏差是天线平均相位中心与天线参考点之间的差值。GPS测量中时间、距离测量都是相对于发射天线相位中心的，但是IGS在导航电文中给出的轨道参数却是以卫星的质心为参考点的。同理，接收机的天线中心和参考点之间也存在天线相位中心偏差，因此需要进行改正。1.3.2.传播途径相关的因素电离层延迟电离层分布在高度为501000公里的大气层中，主要包含了大量的正负离子和电子。信号在穿过这层大气时会发生折射，导致传播速度发生改变，从而产生测距误差，这种误差被称为电离层延迟。这种误差在天顶方向一般可达十几米，随着卫星高度角的降低和电离层电子浓度的升高，这种变化影响会更大。因此，对这项误差必须进行改正。由于对于每个用户而言，各处的电离层延迟均存在差异，所以处理起来比较复杂。对于双频接收机用户而言，由于通过精确测定载波从卫星到接收机之间的传播时间差便可精确求出电离层延迟改正数，所以不存在问题。但是对于广大单频接收机用户，就得进行相对定位或者根据当地的电离层资料建立改正模型进行消除。对流层延迟与电离层延迟差类似。在距离地面50公里以下的大气是对流层和平流层，平流层空气质量轻，密度，做水平运动，折射率相对较小。而对流层的空气质量约占整个大气层的99%，空气的密度大，折射率强。当GPS信号穿过对流层和平流层时80%的折射发生在对流层。由于对流层导致信号在传播过程中速度变慢和路径弯曲而引起的误差叫做对流层延迟。对流层对信号的折射率主要与温度、湿度和气压有关。同时随着卫星高度角的变化，这种误差也会变化。当卫星处于天顶方向时，产生的对流层误差约为2.3米，当卫星高度角为5时，产生的对流层误差月为25米左右。因此，该项误差必须进行仔细消除。对流层误差主要靠误差模型进行修正。多路径效应卫星接收机收到的信号分为直射波和间接反射波。直接波是指信号由卫星天线相位中心发出，直接传送到接收机天线相位中心。间接波是指信号由卫星天线相位中心发出后，没有直接被接收机接收到，而是经过一些障碍物反射之后被接收机吸收。所谓多路径效应就是指由于周围环境的影响，导致接收机接收到了间接波而导致的信号传播时间误差。为了减小多路径效应的影响，主要通过改变观测环境来改善。一般在设站时尽量不要将点位选在湖泊、山体、高层建筑物等具有大面积反射条件的地物周围。同时，可以在接收机上加装抑径板或者抑径圈、降低接收机天线高度或者增加卫星高度角。1.3.3.接收相关的因素接收机的时钟GPS接收机一般都采用石英钟，这种钟的误差较原子钟而言误差相对较大。接收机钟差是指GPS接收机时间与标准GPS时间之间的差值。GPS定位过程中接收机时间系统和卫星原子钟时间系统都应该与标准GPS时同步，但是钟差是客观存在的，卫星钟差由导航电文提供，而接收机钟差被当做观测方程中的一个未知参数进行求解。接收机天线相位中心偏差与卫星天线相位中心偏差类似。硬件和软件接收机误差引起的在GPS定位中,GPS接收机的软硬件条件对定位结果也会产生重要的影响。一台高精度的接收机必然在软硬件方面表现出良好的性能。目前国家高等级的GPS测量多选择著名厂家生产的接收机，例如，天宝、莱卡、拓普卡等。第2章 差分GPS原理2.1.差分GPS原理2.1.1.差分GPS概述概述在GPS实行SA政策期间，民间用户为了提高导航和定位的精度，差分技术被引入到了GPS定位领域，随后通过该技术提高定位精度的方法称为了行业的研究热点，经过数十年的发展GPS定位的精度得到了很大的提高。由于该技术的影响，2004年5月1日，美国政府决定取消对GPS卫星的SA政策限制。目前，差分GPS技术已经非常成熟，逐步步入到实用阶段。该技术不仅可以向用户提供坐标或者距离的误差改正数，而且可以将各种误差的影响分离出来，向用户提供更精确的误差参数，从而用于建立各种误差改正模型。与此同时，数据的通信方式也发生了转变，从以前的无线电台变成了如今的Internet网络或者卫星通讯，信号的强度和覆盖范围也因此都得到了大幅度的改善。从工作系统的复杂程度上来看，差分GPS系统从单一的但基准站模式逐步发展成为具有多基准站的局域差分GPS和广域差分GPS。基本原理差分GPS工作的基本原理是依据地面参考站与流动站之间的空间相关性而建立的。GPS卫星分布在距离地面约两万公里的太空，而地面参考站距流动站之间的距离为几十公里到几百公里之间，这个距离相对于星站距离可以忽略不计。因此，我们认为参考站与流动站周围的空间环境对两个接收机导航定位的影响是等价的。差分GPS系统主要由四部分组成，即GPS卫星、参考站、流动站和通讯设备。工作的流程一般是：先在具有高精度和可靠性的已知点上架设GPS接收机作为参考站，参考站周围应该视野开阔，观测条件好，在待测点上架设流动站，参考站和流动站同时观测卫星。参考站的接收机在捕捉到卫星信号之后便开始进行自身位置解算，然后将解算结果与已知坐标进行对比，求出误差值，然后根据坐标误差反求出每颗卫星的定位误差。由于参考站GPS接收机无法知道流动站接收机所接收到的卫星数量，因此参考站接收机会锁定视野中的所有卫星，并计算出每颗卫星的定位误差，然后按标准格式编制成电码，由通讯链路发送给流动站，流动站接受到电码后，根据自身测站所观测到的卫星进行误差改正，以获得精确的定位结果。2.1.2差分GPS分类 差分GPS按照不同的分类标准可以分成许多类型，例如：按照用户对数据处理的时间不同可以分为实时差分GPS和事后差分GPS。按照差分GPS系统参考站的数量及覆盖范围可分为但基准站差分GPS、多基准站局域差分GPS和广域差分GPS。按照差分GPS的观测值可分为位置差分、伪距差分和载波相位差分。结合本课题研究的方向，下面将从差分GPS改正信号的角度出发介绍位置差分、伪距差分和载波相位差分的原理。位置差分位置差分的基本原理是：使用基准站的位置改正数去修正流动站的位置计算值，以求得比较精确的流动站位置坐标。由于相对定位中基准站的坐标值预先采用大地测量、天文测量或GPS静态定位等方法精密测定，视之为已知值，设其精密坐标值为。而在基准站上的GPS接收机利用测码伪距绝对定位法测出的基准站坐标为，该坐标值中包含卫星轨道误差、卫星钟和接收机钟误差、大气延迟误差、多路径效应误差及其他误差。则可按照下式2-1计算基准站的位置改正数： 基准站采用数据链将这些改正数发送出去，而流动站用户接收机通过数据链实时接收这些改正数，并在自身位置解算时加以改正。设流动站通过用户接收机利用自身观测的数据采用测码伪距绝对定位法测定出其位置坐标为，则可按照下式2-2计算流动站的较精确坐标： 由于动态用户和GPS卫星相对于协议地球坐标系存在相对运动，若进一步考虑用户接收机改正数的瞬时变化，则有下式2-3： 式中，为校正的有效时刻。位置差分的计算方法简单，只需要在解算的坐标中加进改正数即可，这对GPS接收机的要求不高，适用于各种型号的接收机。但是，位置差分要求流动站用户接收机和基准站接收机能同时观测同一组卫星，这些只有在近距离才可以做到，故位置差分只适用于100km以内。伪距差分伪距差分的基本原理：利用基准站的伪距改正数，传送给流动站用户，去修正流动站的伪距观测量，从而消除或减弱公共误差的影响，以求得比较精确的流动站位置坐标。设基准站的已知坐标为。差分定位时，基准站的GPS接收机，根据导航电文中的星历参数，计算其观测到的全部GPS卫星在协议地球坐标系中的坐标值，从而由星站的坐标值可以反求出每一观测时刻，由基准站至GPS卫星的真距离，如2-4所示： 另外，基准站上的GPS接收机利用测码伪距法可以测量星站之间的伪距，其中包含各种误差源的影响。由观测伪距和计算的真距离可以计算出伪距改正数。如2-5所示： 同时可以求出伪距改正数的变化率。如2-6所示： 通过基准站的数据链将和发送给流动站接收机，流动站接收机利用测码伪距法测量出流动站至卫星的伪距，再加上数据链接收到的伪距改正数，便可以求出改正后的伪距。如2-7所示： 并按照下式计算流动站坐标，如2-8所示： 式中：为流动站用户接收机钟相对于基准站接收机钟的钟差；为流动站用户接收机噪声。伪距差分时，只需要基准站提供所有卫星的伪距改正数，而用户接收机观测任意4颗卫星，就可以完成定位。与位置差分相似，伪距差分能将两测站的公共误差抵消，但是，随着用户到基准站距离的增加，系统误差又将增大，这种误差用任何差分法都无法消除，因此伪距差分的基线长度也不宜过长。载波相位差分位置差分和伪距差分能满足米级定位精度，已经广泛用于导航、水下测量等领域。载波相位差分是指通过对两测站的载波相位观测值进行实时处理，以获得高精度的三维坐标值，该技术又称RTK技术。载波相位差分的基本原理是，由基准站通过数据链实时的将其载波相位观测量及基准站坐标信息一同发送到用户站，并与用户站的载波相位观测量进行差分处理，适时地给出用户站的精确坐标。载波相位差分定位的方法又可分为两类：一种为测相伪距修正法，一种为载波相位求差法。前者同位置差分和伪距差分原理相同，是利用基准站上的载波相位改正值去修正流动站上的载波相位观测值，从而提高定位精度。后者是通过将基准站的载波相位值发送给用户站接收机，用户站接收机将自身的载波相位观测值与基准站载波相位值进行求差运算，形成单差、双差和三差观测值，同时消除卫星钟差、接收机钟差和整周模糊未知数等参数，减弱电离层延迟差、对流层误差等相关误差。然后采用与静态相对定位类似的求解方法进行求解流动站坐标。（1）测相伪距修正法测相伪距修正法的基本思想：基准站接收机与卫星之间的测相伪距改正数在基准站解算出，并通过数据链发送给流动站用户接收机，利用此伪距改正数去修正用户接收机到观测卫星之间的测相伪距，获得比较精确的用户站至卫星的伪距，再采用它计算用户站的位置。在基准站观测卫星，则由卫星坐标和基准站已知坐标反算出基准站至该卫星的真距离。如2-9所示：式中：（）为卫星的坐标，可利用导航电文中的卫星星历精确的计算出；（）为基准站的精确坐标值，是已知参数。基准站与卫星之间的测相伪距观测值。如2-10所示： 式中：和分别为基准站站钟钟差和卫星的星钟差；卫星历误差（包括SA政策影响）；和分别为电离层和对流层延迟影响；和分别为多路经效应和基准站接收机噪声。由基准站和观测卫星的真距离和测相伪距观测值，可以求出星站之间的伪距改正数。如2-11所示： 另一方面，流动站上的用户接收机同时观测卫星可得到测相伪距观测值。如2-12所示： 式中各项的含义与(2-10）相同。在用户接收机接收到由基准站发送过来的伪距改正数时，可用它对用户接收机的测相伪距观测值进行实时修正，得到新的比较精确的测相伪距观测值。如2-13所示： 当用户站距基准站距离较小时（100km），则可以认为在观测方程中，两观测站对于同一颗卫星的星历误差、大气层延迟误差的影响近似相等。同时用户机与基准站的接收机为同型号机时，测量噪声基本相近。于是消去相关误差，（2-13）可得式2-14： 式中：为各项残差之和。根据前述分析，历元时刻载波相位观测量。如2-15所示： 两测站、同时观测卫星，对两测站的测相伪距观测值取单差，可得式2-16： 差分数据处理是在用户站进行的。上式左端的由基准站计算出卫星到基准站的精确几何距离代替，并经过数据链发送给用户机；同时，流动站的新测相伪距观测量，通过用户机的测相伪距观测量和基准站发送过来的伪距修正数来计算。也就是说，将（2-14）式带入（2-15）中，同时用代替，则可得式2-17：上式中假设在初始历元已将基准站和用户站相对于卫星的整周模糊度、计算出来了，则在随后的历元中的整周数、以及测相的小数部分、都是可观测量。因此，上式中只有4个未知数：用户站坐标和残差，这样只需要同时观测4颗卫星，则可建立4个观测方程，解算出用户站的三维坐标。从上面分析可见，解算上述方程的关键问题是如何快速求解整周模糊度。近年来许多科研人员致力于这方面的研究和开发工作，并提出了一些有效的解决方法，如FARA法、消去法等，使RTK技术在精密导航定位中展现了良好的前景。（2）载波相位求差法载波相位求差法的基本思想是：基准站不再计算测相伪距修正数，而是将其观测的载波相位观测值由数据链实时发送给用户站接收机，然后由用户机进行载波相位求差，再解算出用户的位置。假设在基准站和用户站上的GPS接收机同时于历元和观测卫星和，基准站对两颗卫星的载波相位观测量（共4个），由数据链实时发送给用户站。于是用户站就可获得8个载波相位观测量方程。如式2-18所示：对两接收机、在同一历元观测同一颗卫星的载波相位观测量相减，可得到4个单差方程。如式2-19所示：单差方程中已经消去了卫星钟钟差，并且大气层延迟影响的单差是微小项，略去。将两接收机、同时观测两颗卫星、的载波相位观测量的站际单差相减，可得到2个双差方程。如式2-20所示： 双差方程中消去了基准站和用户站的GPS接收机钟差、。双差方程右端的初始整周模糊度、，通过初始化过程进行解算。因此，在RTK定位过程中，要求用户所在的实时位置，因此它的计算程序是：）用户GPS接收机静态观测若干历元，并接收基准站发送的载波相位观测量，采用静态观测程序，求出整周模糊度，并确认此整周模糊度正确无误。这一过程称为初始化。）将确认的整周模糊度代入双差方程（2-20）。由于基准站的位置坐标是精确测定的已知值，两颗卫星的位置坐标可由星历参数计算出来，故双差方程中只包含用户在协议地球系中的位置坐标为未知数，此时只需要观测3颗卫星就可以进行求解。由上分析可见，测相伪距修正法与伪距差分法原理相同，是准RTK技术；载波相位求差法，通过对观测方程进行求差来解算用户站的实时位置，才是真正的RTK技术。上述所讨论的单基准站差分GPS系统结构和算法简单，技术上较为成熟，主要适用于小范围的差分定位工作。对于较大范围的区域，则应用局部区域差分技术，对于一国或几个国家范围的广大区域，应用广域差分技术。2.2. 常规RTK2.2.1.RTK概述RTK(Real Time Kinematic)是一种利用载波相位差分技术进行实时动态相对定位的技术。该技术利用基准站与流动站之间误差的空间相关性对流动站的测量误差进行修正，从而得到一个精度比较高的定位结果。基准站的GPS接收机长期连续接收卫星信号，并根据测站的已知坐标实时求解差分改正数。差分信息将通过通讯链路传输到流动站，过流动站接收机软件，可以实时解算流动站坐标，也可以根据需要进行坐标系的转换。目前，RTK的测量精度已经可以达到厘米级的精度，能满足测图、放样等工程的需要。2.2.2.RTK系统组成RTK系统的组成主要由参考站、流动站、通讯链路和GPS卫星星座四部分组成。接收机部分，至少需要两台接收机，一台做为流动站，一台做为参考站。参考站的接收机必须架设在高精度的已知点上，同时已知点周围要有良好的对空观测条件，这样才能保证参考站观测卫星的数量和质量有所保障。参考站通过观测卫星并计算测站上的差分信息，随后便将改正信息以标准的电文格式（RTCM CS-104)通过通讯链路发送到流动站。数据通讯链路主要包括信号调制解调器和无线电台两部分组成。流动站接收机必须具有实时处理软件设备进行实时位置的解算、成果的储存和管理等功能。RTK定位成果的精度和可靠性很大程度上取决于解算软件的质量和性能，因此RTK解算软件必须具备以下功能： 能快速地确定整周未知数； 能进行基线向量解算； 能对解算成果进行精度评定和可靠性分析； 能进行坐标系统的转换。2.2.3.RTK工作原理RTK的工作原理实质就是载波相位差分技术，见上文载波相位差分原理部分，这里不再赘述。2.2.4.RTK的优缺点利用RTK技术用户可以实现厘米级的实时动态定位结果，而且定位的效率非常高，测一个点仅需要几秒