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1、差分GPS定位
目前 GPS 系统提供的定位精度是优于 10 米,而为得到更高的定位精度,通常采用差分 GPS 技术:使用一台 GPS基准接收机(基准站)和一台用户接收机(移动站),利用实时或事后处理技术,就可以使用户测量时消去公共的误差源—卫星轨道误差、卫星钟差、大气延时、多路径效应。特别提出的是,当GPS工作卫星升空时,美国政府实行了SA政策。使卫星的轨道参数增加了很大的误差,致使一些对定位精度要求稍高的用户得不到满足。因此,现在发展差分GPS技术就显得越来越重要。
根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类,即:位置差分、伪距差分(DGPS)和载波相位差分(RTK)。这三类差分方式的工作原理是相同的,即都是由基准站发送修正数据,由用户站接收并对其测量结果进行修正,以获得精确的定位结果。所不同的是,发送修正数据的具体内容不一样,其差分定位精度也不同。
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。
1.1 位置差分
最简单的差分方法,任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。
安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位,解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差,解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的, 存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去,由用户站接收,并且对其解算的用户站坐标进行改正。
最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差,例如卫星轨道误差、 SA影响、大气影响等,提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。 位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。
1.2 伪距差分(DGPS, Differential Global Positioning System)
伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。
在基准站上的接收机要求得 它至可见卫星的距离,并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户,用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后,用户利用改正后的伪距来解出本身的位置,就可消去公共误差,提高定位精度。
与位置差分相似,伪距差分能将两站公共误差抵消,但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差,这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。利用伪距差分方法,定位精度可达到亚米级。
1.3 载波相位差分(RTK, Real Time kinematic)
差分GPS的出现,能实时给定载体的位置,精度为米级,满足了引航、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。
载波相位差分技术又称RTK(Real Time Kinematic)技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。与伪距差分原理相同,由基准站通过数据链实时将其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。
载波相位差分方法分为两类:一类是修正法,另一类是差分法。前者与伪距差分相同,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。
2、GPS的定位精度
自然因素:受到大气层、卫星时钟误差、星历误差(即卫星轨道误差)等的影响
人为因素:多径效应(经过其他表面反射到接收机天线中的GPS信号)、SA政策、人为干扰因素
3、CEP、RMS
在GNSS产品中厂家提供这么几个精度参数:CEP、RMS, CEP和RMS是GNSS的定位精度单位,也是个概率单位。
5M CEP意思是以5M为半径画圆,有50%的点能打在圆内,也就是说,GNSS定位在5M精度的概率是50%,相应的6m RMS(66.7%)12m 2DRMS(95%)
水平精度以圆概率误差(CEP) 意味着 50% 的结果在给出的圆直径内,50%的结果在圆外。RMS是1 sigma或1倍标准差,如果结果是无偏的,概率为67%。 2dRMS是2 sigma或2倍标准差,概率为95%。
他们的相互转换可以按照下面的规则: CEP 乘以1.2能转换为RMS,CEP 乘以2.4能转换为2d RMS:2.5M CEP -> 3M RMS -> 6M 2D RMS
4、SBAS(Satellite-Based Augmentation System)
星基增强系统,又叫广域差分增强系统;通过地球静止卫星,搭载“卫星导航增强”信号转发器,可以向用户广播星历误差,卫星钟差,电离层延迟等多种修正信息;目前世界上的几个SBAS:美国WAAS,俄罗斯SDCM,欧洲EGNOS,日本MSAS,印度GAGAN
SBAS只是DGPS(现在扩展到叫DGNSS)中的一种。SBAS属于星基差分系统。现在有很多地方建设的连续运行参考站(CORS)系统可以为很多设备提供陆基的差分信号。现在说的DGPS是指狭义的CORS提供差分信号这种。