精品课程《GPS原理及应用》课件第4章GPS卫星定位原理

第四章GPS卫星定位原理,4.1概述,对于地面接收机而言，根据其运动状态可将GPS定位分为静态定位和动态定位：静态定位是指将接收机安置在固定不动的待定点上观测数分钟或更长的时间，以确定该点的三维坐标，又称为绝对定位。,若将2台或更多台接收机置于不同点上，通过一段时间的观测确定点间的相对位置关系，称为相对定位。动态定位是指至少有1台接收机处于运动状态，确定各观测时刻运动中的接收机的绝对或相对位置关系。,GPS绝对定位的基本原理是：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机天线所对应的位置。,GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息，用户用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至3颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站点P的位置。,但由于GPS卫星是分布在20000多千米的高空运动载体，只能是在同一时间测定3个距离才能定位，要实现同步必须具有统一的时间基准，从解析几何角度出发，GPS定位包括确定一个点的三维坐标和实现同步的时间4个未知参数，因此必须测定到至少4颗卫星的距离才能定位。,在图中，设在时刻t在测站点P用GPS接收机同时测得P点至4颗GPS卫星S1、S2、S3、S4的距离1、2、3、4，通过导航电文解译出该时刻4颗GPS卫星的三维坐标分别为（xj,yj,zj）(j=1,2,3,4)。,用距离交会的方法求解P点的三维坐标（x,y,z）的观测方程为：(j=1,2,3,4)在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时地由GPS卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。,距离测量主要采用2种方法：一种方法是测量GPS卫星发射的测距码信号达到用户接收机的传播时间，即伪距测量；另一种方法是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量，即可推算出接收机的三维位置。采用伪距观测量定位速度相对较快，而采用载波相位观测量定位精度相对较高。,4.1.1伪距测量,伪距法定位是根据GPS接收机在某一时刻测出的接收机天线所在点到4颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定测站点的三维坐标。伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。,由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层的时延，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距称为C/A码伪距，用P码测量的伪距称为P码伪距。,伪距法定位虽然一次定位精度不高（P码定位误差为10cm，C/A码定位误差为20m30m），但因其具有定位速度快且无多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统进行导航的最基本的方法。同时，所测伪距又可以作为载波相位测量中解决整周数不确定问题（模糊度）的辅助资料。利用测距码测定卫星与地面间伪距的基本原理如下。,首先假设卫星钟和接收机均无误差，且都能与标准的GPS时间保持严格同步。在某一时刻t，卫星在卫星钟的控制下发出某一结构的测距码，同时，接收机则在接收机钟的控制下产生或者复制出结构完全相同的测距码，也叫复制码。由卫星所产生的测距码经t时间的传播后到达接收机并被接收机所接收。由接收机产生的复制码则经过一个时间延迟器延迟时间后与接收到的卫星信号进行对比。,若这2个信号尚未对齐，就调整延迟时间，直至这2个信号对齐为止。此时复制码的延迟时间就等于卫星信号的传播时间t，将其乘以真空中的光速c后即可得卫星与地面间的伪距为实际上，卫星钟和接收机均不可避免地存在误差。若设两者时间误差为，,伪距观测量等于待测距离与钟差（包括卫星钟差与接收机钟差）等效距离之和，即。若能精确求出接收机与卫星钟相对于GPS基准时间的偏差，即可通过对伪距进行修正，求得准确的卫星到接收机的距离。在实际应用中，卫星钟差包含在导航电文中，为已知值，而接收机钟差未知，在定位计算中作为未知参数与点的位置一同解算，这也正是GPS定位为什么必须接收多于4颗卫星的原因。,若再考虑信号穿过电离层与对流层时其速度发生变化，因此必须加上电离层与对流层影响的改正。,4.1.2载波相位测量,利用测距码进行伪距测量是GPS的基本测距方法，但由于测距码的码元宽度较大，(C/A码码元宽度为0.97752us,相应长度293.1m；P码码元宽度0.097752us，相应长度29.3m)对于一些高精度应用而言精度无法满足需要。伪距测量的测距精度一般达到测距码波长的1%，则对于P码而言量测精度30cm，对C/A码而言为3m左右。而包含在GPS卫星信息中的载波L1和L2，其相应波长分别为=19.03cm，=24.42cm，若把载波作为量测信号，就可达到很高的精度。,目前的大地型接收机普遍利用载波相位测量，相位测量精度可达1m2m，相对定位精度可达10-8。载波相位测量是测量GPS载波信号从GPS卫星发射天线到GPS接收机接收天线在传播路程上的相位变化，从而确定传播距离的方法。如图所示,卫星j发射一载波信号，在时刻t的相位为，该信号经过距离到达接收机，其相位为，为其相位变化量，现中包含整周部分与不足整周部分。由于载波信号是一种周期性的正弦波，因此若能测定，则可计算卫星到接收机间的距离，即式中：相位以周为单位；为整周部分；,为非整周部分；为载波波长。在实际应用中，该法是不能实现的，因为无法测定。为此采用比相的方法，即GPS接收机振荡器产生一个频率和初相均与卫星载波完全相同的基准信号，而要测定的某一时刻的相位差即为接收机产生的基准信号与接收的卫星载波相位之差。图为载波相位测量的原理图。,GPS载波相位测量的基本原理,在某一时刻ti，卫星信号的相位等于本机振荡器产生的基准相位：；相同时刻接收的GPS卫星信号的载波相位为，则因此，信号传播距离为由于卫星与地球间的相对运动，接收的卫星信号的频率因多普勒频移而产生变化，与基准信号频率不同。,将接收的卫星信号与产生的基准信号混频，得到差频的中频信号，其相位值即为2个信号间的相位差。因此通过测定该中频信号的相位便可获得所需的相位差。在GPS信号中，由于已用相位调整地方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波相位已不再连续，所以在进行载波相位测量以前，首先要进行解调工作，没法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。,重建载波一般可用2种方法：一种是码相关法；另一种是平方法。采用前者，用户可以同时提取测距信号和卫星电文，但用户必须知道测距码的结构；采用后者，用户无需掌握测距码的结构，但只能获得载波信号而无法获得测距码和卫星电文。由于载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量只能测定其不足1周的小数部分，因而存在着整周数不确定性的问题，也就是整周模糊度的精确求解问题。,4.2GPS绝对定位原理,绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅需要一台接收机工作，因此又称为单点定位。根据用户接收机天线所处的状态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。,将用户接收设备安置在运动的载体上确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。动态绝对定位，一般只能得到没有（或很少）多余观测量的实时解。这种定位方法，被广泛地应用于飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航中。另外，在航空物探和卫星遥感等领域也有广泛的应用。,当接收机天线处于静止状态确定观测站绝对坐标的方法，称为静态绝对定位。这时，由于可以连续地测定卫星至观测站的伪距，所以可获得充分的多余观测量，以便在测后通过数据处理提高定位的精度。静态绝对定位方法主要用于大地测量，以精确测定测站点在协议地球坐标系中的绝对坐标。,目前，无论是动态绝对定位还是静态绝对定位，所依据的观测量都是所测卫星至测站点的伪距，通常也称为伪距定位法。由于伪距有测码伪距和测相伪距之分，所以，绝对定位又可分为测码伪距绝对定位和测相伪距绝对定位。,4.2.1测码伪距观测方程,测码伪距就是由卫星发射的测距码到观测站的传播时间（时间延迟）乘以光速所得出的量测距离，习惯上简称为伪距。为建立伪距观测值的方程，须顾及卫星钟差、接收机钟差以及大气层折射延迟。为了建立伪距观测方程，引进如下符号：表示第j颗卫星发出信号瞬间的GPS标准时间；为相应的卫星钟钟面时刻；表示接收机接收到信号时的GPS标准时间；,代表卫星钟钟面时相对于GPS标准时间的钟差；为接收机钟面相对于GPS标准时间的钟差。显然，卫星钟和接收机钟的钟面时与GPS标准时，存在如下关系：由此，卫星信号到达测站的钟面传播时间为,如果不考虑大气折射影响，那么钟面传播时间乘以光速，即得卫星至测站间的伪距同时，引用记号表示卫星至测站间的几何距离，用表示接收机钟与卫星钟的相对钟差，于是有,把式与式代入式中，即把简化后的伪距表达式式中：第二项表示接收机钟与卫星钟之间相关钟差的等效距离误差。若顾及大气层折射影响，则伪距观测方程可写为（1）式中：为t时刻电离层折射延迟的,等效距离误差；则为t时刻对流层折射延迟的等效距离误差；是非线性项，表示测站与卫星之间的几何距离。的表达式为式中：为t时刻卫星的三维地心坐标；则是测站的三维地心坐标。若设,式中：为测站三维地心坐标的近似值。若导航电文所提供的卫星的瞬时坐标为固定值，那么，对以为中心，用泰勒级数展开并取一次项后可得,为站星几何距离近似值，把式（2）代入式（1）可得线性化的伪距观测方程为：,4.2.2测相伪距观测方程,载波相位测量的观测值是GPS卫星接收机所接收的卫星载波信号与接收机本机振荡参考信号的相位差。设卫星在卫星钟钟面时发射的载波信号相位为，而接收机在接收机钟面时收到卫星信号后产生的基准信号相位为。这时相应于历元t的相位观测量，应当等于接收机基准信号相位与卫星发射信号相位之差减去相应于初始历元t0的相位差整周数。即有,式中：称为整周未知数（或整周模糊度）。卫星钟和接收机钟的振荡器都有良好的稳定度，通常可达，相应的频率飘移为0.0016HZ0.016HZ。由于信号由卫星到达接收机的传播时间极短，其取值范围为0.066s0.090s，因此，由频率漂移产生的误差可以忽略，可认为卫星信号频率与接收机基准频率相等，即,在此条件下，信号相位与频率之间存在关系式由于钟面时与GPS标准时间之间存在差异，因此可设,考虑到，且顾及电离层和对流层对信号传播的影响，则有载波相位观测方程若在上式两边同乘以则有,将上式与进行比较，可以看出，载波相位观测方程除增加了整周未知数外，其余部分和伪距观测方程完全相同。上式给出的载波相位观测方程是一近似的简化表达式。在相对定位中，当距离较短时，完全可以采用这种简化式，但当基线较长时，则应采用较严密的观测模型。在式中由于卫星发射载波信号的时刻一般是未知的，,由可得即应将卫星发射信号的时刻表示成接收机信号时刻的函数。由于信号传播时间与传播距离、传播速度存在关系，而卫星j与测站i之间的几何距离是卫星发射信号时刻与接收信号时刻的函数，则有,将上式泰勒级数展开后取一次项，考虑接收机钟差，同时考虑电离层和对流层对卫星信号传播的影响，并做一定简化，可以得到载波相位测量的观测方程：上式可以表示为,与伪距观测方程相同，测站与卫星之间的几何距离也是坐标的非线性函数。同样，可取测站坐标的近似值，将其线性化后有将上式带入到得线性化的载波相位观测方程为,同理，测相伪距观测方程的线性化形式为,4.2.3静态绝对定位,利用接收到的卫星信号（测距码）或载波相位，均可进行静态定位。可以连续地在不同历元同步观测不同的卫星，测定卫星至观测站的伪距，获得充分的多余观测量，然后通过数据处理求得观测站的绝对坐标。因为受到卫星轨道误差、钟差以及信号传播误差等因素的影响，其定位的精度约为米级。,1伪距法绝对定位,在不同历元对不同卫星同步观测的伪距观测方程中，对流层、电离层的影响可采用一些比较成熟的模型加以改正，因此可以认为是已知量，所以观测方程式中共有4个未知数，接收机必须同时至少测定4颗卫星的距离才能解算出接收机的三维坐标值。当在某时刻观测卫星的个数j大于等于4时，可计算接收机的位置坐标的最或然值（最接近真实值的数值）。,令j=1,2,3,4,将上式写成矩阵的形式为简写成AX-L=0X=（ATA）-1ATL,在实际应用中，若一开始给出的测站在WGS-84坐标系中的近似值偏差过大，则因线性化后的观测方程仅取了一次项，为避免略去的高次项对解算结果的影响，可利用解算出的测站坐标作为近似值，迭代求解。若观测时间较长，接收机钟差的变化往往不能忽略。在此情况下，可将钟差表示为多项式的形式，把多项式的系数作为未知数在平差计算中一并求解。也可以对不同观测历元引入不同的独立钟差参数，在平差计算中一并结算。,由此可见，接收机只要接收到4颗以上卫星即可定出接收机的位置（x,y,z),从而实现实时定位。由于卫星的位置为WGS-84坐标系下的坐标，由此求得的接收机位置坐标也是WGS-84坐标系下的坐标。伪距定位法定位速度很快，又无多值性问题，数据处理比较快捷，是单点定位的基本方法。但是由于P码受美国军方控制，一般用户无法得到，只能利用C/A码进行伪距定位，定位精度10cm30cm。在非常时期，由于美国,对利用GPS有限制政策，造成对GPS工作卫星所发信号的人为干扰，使非特许用户不能获得高精度的实时定位，在这种情况下，利用C/A码进行伪距定为的精度降低至100m，远远不能达到高精度的要求。,2载波伪距绝对定位,与测码伪距观测方程相比，载波相位观测方程仅多了一个整周未知数，其余各项均完全相同。然而，正是由于观测方程中存在整周未知数，t时刻在i测站同步观测nj颗卫星，则可列nj个观测方程，方程存在4+nj个未知数，因而难以利用载波相位进行实时定位。但是只要接收机保持对卫星j的连续跟踪，则整周未知数是一个不变的值。因此，只要通过一个初始化过程求出整周模糊数，且GPS接收机保持对卫星信号的连续,跟踪，则仍可用于GPS绝对定位，且精度优于测码伪距静态定位。然而，保持对卫星的连续跟踪是很困难的，因此，目前静态绝对定位中主要采用测码伪距定位法。,3绝对定位精度的评价,由式X=（ATA）-1ATL不难看出，定位精度除了与观测量的精度有关外，还取决于设计矩阵A。矩阵A是由观测向量的方向余弦构成的，在地面点一定的情况下，与所观测卫星的几何位置有关。因此GPS定位的精度与卫星的分布有关，在GPS观测处理时应对观测卫星进行选择。,4动态绝对定位,在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状态，这种定位方式称为动态定位。为了确定运动载体在WGS-84坐标系中的瞬时位置，可利用测码伪距进行单点绝对定位，只需配置一台导航型GPS接收机即可实现该目标。其原理与静态绝对定位相同。动态定位的特点是测定一个动点的实时位置，多余观测量少，定位精度较低。,4.3相对定位原理,GPS绝对定位（单点定位）受到卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等因素的影响，虽然其中一些系统性误差可以通过模型加以消弱，但改正后的残差仍是不可忽略的，所以其定位精度不高。GPS相对定位，也叫差分GPS定位，是目前GPS测量中定位精度最高的定位方法，它广泛地应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究及精密导航中。,4.3.1静态相对定位的概念,用2台接收机分别安置在2个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定2个端点在协议地球坐标系中的相对位置，这种定位称为相对定位。在实际工作中，常常将接收机数目扩展到3台以上，同时测定若干条基线向量，在一个端点坐标已知的情况下，可以用基线向量推求另一待定点的坐标。这样做不仅可以提高工作效率，而且可以增加观测量，提高观测成果的可靠性。,静态相对定位采用载波相位观测量为基本观测量，由于载波波长较短，其测量精度远高于码相关伪距测量，并且采用不同载波相位观测量的线性组合可以有效地消弱卫星星历误差、信号传播误差以及接收机不同步误差对定位的影响。天线长时间固定在两个端点上，可保证取得足够多的观测数据，从而可以准确确定整周未知数。上述这些优点，使得静态相对定位可以达到很高的精度。,当然，静态相对定位也存在缺点，即定位观测时间过长。在跟踪4颗卫星的情况下，通常要观测1h1.5h，甚至观测更长的时间。长时间观测影响了GPS定位测量的功效，因此近几年发展了一种整周未知数快速逼近技术，可以在短时间内快速确定整周模糊数，使定位测量时间缩短到几分钟，为GPS定位技术开辟了更广泛的应用前景。,4.3.2观测方程及其结算,在2个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星中差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等对观测值得影响具有一定的相关性。利用这些观测量的不同组合（求差）进行相对定位，可有效地减弱相关误差的影响，从而提高相对定位的精度。对GPS卫星载波相位观测值的求差，可以分别在卫星之间、接收机之间和不同历元之间进行，根据求差次数的不同又可分为单差、双差和三差3种。,1单差观测模型及解算,所谓单差，是指不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。假设测站1和测站2分别在t1和t2时刻对卫星p和q进行了同步观测，则可得载波相位观测量：,单差,在卫星间求差、测站间求差和历元（时刻）间求单差的公式为在观测值间求单差的3种方法中，常用的是在测站间求单差。下面讨论其单差虚拟观测模型及其解算方法。,在图中，若在t1时刻在测站1、测站2同时对卫星p进行了载波相位测量，得观测方程将上两式代入,中的第二式得由上式可知，卫星钟差影响已消除。当2个测站的相距不太远时，由于对流层和电离层的影响具有很强的相关性，故在测站间求一次差可消除大气折射误差。,由以上讨论可知，测站间求单差的虚拟观测模型具有下列优点：1消除了卫星钟误差的影响2大大消弱了对流层和电离层折射的影响，在短距离内几乎可以完全消除3大大消弱了卫星星历误差的影响（若测站间距离为20km，星历误差对测距的影响只有原来的1/1000。）,2双差观测模型及解算,所谓双差，即不同观测站同步观测同一组卫星，所得单差观测值之差。测站1、测站2在t1时刻同时观测了2颗卫星p、q卫星，那么对p、q卫星分别有如上所示的单差模型。若忽略大气折射残差，可求得双差的虚拟观测方程为,由上式可知，2颗卫星观测方程在t1时刻均含有相同的接收机误差卫星求差后，不再存在钟差，换而言之双差模型可以消除接收机钟差影响。,3三差观测模型及解算,所谓三差，即于不同历元同步观测同一组卫星所得双差观测量之差。设在测站1和测站2分别在t1和t2时刻对卫星p和q进行了同步观测，则根据式,。对该两个双差观测方程求3次差有由于整周未知数和观测历元无关，在三差模型，消除了整周未知数。,站间求差（站间差分）,求差方式同步观测值在接收机间求差数学形式特点消除了卫星钟差影响削弱了电离层折射影响削弱了对流层折射影响削弱了卫星轨道误差的影响,星间求差（星间差分）,求差方式同步观测值在卫星间求差数学形式特点消除了接收机钟差的影响,历元间求差（历元间差分）,差分方式观测值在间历元求差数学形式特点消去了整周未知数参数,采用差分观测值的缺陷（求差法的缺陷）,数据利用率低只有同步数据才能进行差分差分观测值间具有了相关性，使处理问题复杂化参数估计时，观测值的权阵某些参数无法求出某些信息在差分观测值中被消除,4.4差分GPS定位原理,在相对定位中，对观测值求差有下列形式：将在1个测站上对2个观测目标获取的观测值求差；2或将在2个测站上对同一个目标观测2次求差；或将在1个测站上对1个目标观测后2次求差。差分的目的是消除公共误差，提高定位精度。利用求差后的观测值算出两个测站之间的基线向量，这种差分技术已经用于静态相对定位。,差分GPS定位技术，其原理是将一台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距离改正数、坐标或相对改正数，并由基准站实时的将这一改正数发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。根据基准站发送信息方式的不同，差分GPS定位分为位置差分、伪距差分和载波相位差分。,1位置差分原理,位置差分是一种最简单的差分方法。设基准站的精密坐标已知（x0,y0,z0）,在基准站上的GPS接收机测出的坐标为（x,y,z）(包含轨道误差、时钟误差、美国的限制性影响、大气影响、多路径效应及其他误差)，按下式求出其坐标改正数为基准站用数据链，将这些改正数发送出去，用户接收机在解算时加入以上改正数，则得,式中（xp,yp,zp）为用户接收机自身观测结果；（xp,yp,zp）为经过改正后的坐标。顾及用户接收机位置改正值的瞬时变化，上式可以进一步写成,式中：t0为校正的有效时刻。经过改正后的用户坐标消去了基准站与用户站的共同误差，如卫星星历误差，大气折射误差、卫星钟差等，提高了定位精度。该方法的优点是：需要传输的差分改正数少、计算简单，适用于各种型号的GPS接收机。其缺点是：基准站和用户必须观测同一组卫星，这在近距离可以做到，但距离较长时间难以满足，故位置差分的适用范围为100km以内。,2伪距差分原理,伪距差分是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标（x0,y0,z0）和测出的各卫星的地心坐标（xj,yj,zj），按下式求出每颗卫星每一时刻到基准站的真正距离Rj为Rj=（xj-x0）2+（yj-y0）2+（zj-z0）20.5其伪距为,则伪距改正数为,基准站将发送给用户，用户在测出的伪距上加改正，求出改正后的伪距为伪距差分的优点是：基准站提供所有卫星的改正数，用户接收机只要观测4颗卫星就可完成定位。其缺点是：差分精度随基准站到用户的距离增加而降低。,3载波相位差分原理,位置差分和伪距差分，能满足米级定位精度，已广泛应用于导航、水下测量等；而载波相位差分，可使实时三维定位精度达到厘米级。载波相位差分技术，是实施处理2个测站相位观测量的观测方法。载波相位差分方法分为2类：一类是修正法，另一类是差分法。修正法是将基准站的载波相位修正值发送给用户，改正用户接收到的载波相位，再求届坐标。差分法是将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标。载波相位观测量形式：,载波相位差分定位的关键是求解起始相位模糊度。求解初始相位模糊度通常有以下几种方法：删除法、模糊度函数法、消去法、FARA法。,载波相位差分技术可应用海上精密定位、地形图和地籍测绘。该技术也同样受到基准站至用户距离的限制，为解决此问题，发展了局部区域差分和广域差分定位技术。差分定位的关键技术是高波特率数据传输的可靠性和抗干扰性。单站差分GPS系统结构和算法简单，技术上较为成熟，主要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，则应用广域差分技术。,虽然单站差分GPS系统具有结构和算法都较为简单的优点。但是该方法的前提是要求用户站误差和基准站误差有较强的相关性，因此，定位精度将随着用户站与基准站之间的距离增加而迅速降低。此外，由于用户站只是根据单个基准站所提供的改正信息进行差分定位，如果基准站给出的改正信号出错，则用户站的定位结果就不正确。解决这一问题的方法就是采用设置监控站对信号进行检核，以提高系统的可靠性。,4局部区域GPS差分技术,在局部区域中应用差分GPS技术，应该在区域中布设一个差分GPS网，该网由若干个差分GPS基准站组成，通常还包含一个或数个监控站。位于该局部区域中的用户根据多个基准站所提供的改正信息，经平差后求得自己的改正数。这种差分GPS定位系统称为局部区域差分GPS系统，简称为LADGPS。,局部区域差分GPS技术通常采用加权平均法或最小方差法，对来自多个基准站的改正信息（坐标改正数或距离改正数）进行平差计算，以求得自己的坐标改正数或距离改正数。该系统由多个基准站组成，每个基准站与用户之间均有无线电数据通信链。一般地，用户与基准站之间的距离在500km以内才能获得较好的精度。,区域差分GPS系统较单站差分GPS系统的可靠性和精度均有所提高。但是其数据处理是把各种误差的影响综合在一起进行改正的，而实际上不同误差对定位的影响特征是不同的，如星历误差对定位的影响是与用户站至基准站间的距离成正比的，而对流层延迟误差则主要取决于用户站和基准站的气象元素间的差别，并不一定与距离成正比。,所以将各种误差综合在一起，用一个统一的模式进行改正，就必然存在不合理的因素，从而影响定位精度，且这种影响会随着用户站到基准站的距离的增加而变大，导致差分定位的精度迅速下降。因此在区域差分GPS系统中，只有在用户站距基准站不太远时，才能获得较好的精度。基准站必须保持一定的密度（小于30km）和均匀度，当区域覆盖的面积很大时，所需基准站的数量将十分惊人。此外，区域差分GPS还存在着某些区域无法建设永久性的基准站问题。这些都限制了该方法的应用范围。,GPS定位中，存在着3类误差：第一类是多台接收机共有的误差，如卫星钟差、星历误差；第二类是传播时延误差，如电离层误差、对流层误差；第三类是接收机固有的误差，如内部噪声、通道时延、多路径效应。采用差分定位，可完全消除第一部分误差，且可消除大部分第二类误差（视基准站至用户的距离）。,4.5广域差分GPS系统,广域差分GPS（WADGPS）是针对单基准差分和区域差分GPS所存在的问题，将观测误差按误差的不同来源划分成星历误差、卫星钟差及大气折射误差来进行改正，以提高差分定位的精度和可靠性。,4.5.1广域差分GPS系统的基本思想,广域差分GPS的基本思想是对GPS观测量的误差源加以区别，并单独对每一种误差源分别加以“模型化”，然后将计算出的每一误差源的数值，通过数据链传输给用户，以对用户GPS定位的误差加以改正，达到削弱这些误差源、改善用户GPS定位精度的目的。具体而言，它集中表现在以下3个方面。,(1)星历误差。广播星历是一种外推星历，精度不高，受美国限制性政策的抖动，精度降低至100km，它是GPS定位的主要误差来源之一。广域差分GPS依赖区域精密定轨，确定精密星历，取代广播星历。(2)大气时延误差（包括电离层时延和对流层时延）。常规差分GPS提供综合改正值，包括参考站外的大气时延改正，当用户距离参考站很远，两地大气层的电子密度和水汽密度不同，对GPS信号的时延也不一样，使用参考处的大气时延量来代替用户的大气时延必然引起误差。广域差分GPS技术通过建立精确的区域大气时延模型，能够精确地计算出其作用区域内的大气时延量。,(3)卫星钟差误差。精确改正上述2种误差后，残余误差中卫星钟差误差影响最大，常规差分GPS利用广播星历提供的卫星钟差改正数，这种改正数仅近似反映了卫星钟与标准GPS时间的物理差异，实际上，受美国限制性政策的抖动影响，卫星钟差随机变化达士3ns，等效伪距为士90m。广域差分GPS可以计算出卫星钟各时刻的精确钟差值。,4.5.2广域差分GPS系统的工作流程,广域差分GPS系统就是为削弱这3种主要误差而设计的一种工程系统。该系统一般由一个中心站、几个监测站及其相应的数据通信网络组成，另外还有覆盖范围内的若干用户。该系统的工作流程，可以分解为如下5个步骤：(1)在已知坐标的若干监测站上，跟踪观测GPS卫星的伪距、相位等信息；(2)将监测站上测得的伪距、相位和电离层时延的双频量测结果全部传输到中心站；,(3)中心站在区域精密定轨计算的基础上，计算出3项误差改正，即包括卫星星历误差改正，卫星钟差改正及电离层时间延迟改正模型；(4)将这些误差改正用数据通信链传输到用户站；(5)用户利用这些误差改正自己观测到的伪距、相位和星历等，计算出高精度的GPS定位结果。,4.5.3广域差分GPS系统的特点,WADGPS技术区分误差的目的就是最大限度地降低监测站与用户站间定位误差的时空相关性，克服LADGPS对时空的强依赖性，改善和提高LADGPS中实时差分定位的精度。与LADGPS相比WADGPS有如下特点。（1）中心站、监控站与用户站的站间距离从100km增加到2000km,定位精度不会出现明显的下降，即WADGPS中用户的定位精度对空间距离的敏感程度比LADGPS低得多。,(2)在大区域内建立WADGPS网，需要的监测站数量很少，投资自然减少，比LADGPS具有更大的经济效益。据估计，在美国大陆的任意地方要达到5m的差分精度。使用LADGPS方式的参考站个数将超过500个，而使用WADGPS方式的监测站个数将小于10个，其间的经济效益可见一斑。,（3）WADGPS系统是一个定位精度均匀分布的系统，覆盖范围内任意地区定位精度相当，而且定位精度较LADGPS高。（4）WADGPS的覆盖区域可以扩展到LADGPS不易作用的地域，如远洋、沙漠、森林等。（5）WADGPS使用的硬件设备及通信工具昂贵，软件技术复杂，运行和维持费用很高。,另外，近年来，美国联邦航空局（FAA）在LADGPS的基础上，提出利用地球同步卫星，采用L1频段转发差分GPS修正信号，同时发射调制在L1频段上的C/A码伪距的思想，称为广域增强GPS系统（WAAS）。这一系统完全抛弃了附加的差分数据通信链系统，直接利用GPS接收机天线识别、接收、解调由地球同步卫星发送的差分数据链，而且，该系统利用地球同步卫星发射C/A码测距信号，以增加测距信号和测距信号源，提高该系统导航的可靠性和精度。,对于动态GPS用户，除了需要确定GPS接收机载体的实时位置，往往还要测定载体的实时航行速度。假设于历元t1和t2测定的载体实时位置分别为X1(t1)和X2(t2)，则其运动速度可简单地表示为：由此可得载体运行方向的速度为：,4.6GPS接收机载体航速的测定,定时有着广泛的应用。从日常生活到航天发射，从出外步行到航空航海，都离不开定时。利用GPS信号进行时间传递，一般采用两种方法：（1）一站单机测时：应用一台GPS接收机在一个已知坐标的观测站上进行测时的方法。（2）共视对比定时法：在两个测站上各设一台GPS接收机，同步观测同一卫星，来测定两用户时钟的相对偏差，达到高精度时间比对的目的。,4.7GPS定时,4.8GPS测量误差来源及其影响,GPS测量通过地面接收设备接收卫星传送的信息来确定地面点的三维坐标。GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类：与卫星有关的误差。与信号传播有关的误差。与接收设备有关的误差。为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。,按误差性质分类,上述误差，按误差性质可分为系统误差与偶然误差两类。偶然误差主要包括信号的多路径效应，系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性都比偶然误差要大得多，它是GPS测量的主要误差源。同时系统误差有一定的规律可循，可采取一定的措施加以消除。系统误差是由于仪器本身不精确、或实验方法粗略、或实验原理不完善而产生的。偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的。,与卫星有关的误差,（1）卫星钟差GPS观测量均以精密测时为依据。GPS定位中，无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存在钟差和漂移，偏差总量约在1ms内，引起的等效距离误差可达300km。卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，并用二阶多项式表示：tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户。,与卫星有关的误差,（2）卫星轨道偏差：由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。目前，通过导