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GPS 应 用 高 级 培 训 班武 汉 大 学 GPS 中 心 刘 晖2006 年 3 月

差 分 及 网 络 RTK 技 术武 汉 大 学 GPS 中 心副 教 授 刘 晖2006 年 3 月

内 容1、 、 概 述2、GPS相 位 观 测 值3、GPS定 位 的 误 差 源4、GPS差 分 技 术5、 、 常 规 RTK 技 术6、 、 网 络 RTK 技 术7、 、 总 结

目 前 的 热 点 非 差 相 位 精 密 单 点 定 位 技 术• 结 合 广 域 差 分 技 术 和 单 点 定 位 技 术 。• 要 求 : 精 密 卫 星 轨 道 、 卫 星 钟 参 数 。• 定 位 精 度 :0.1-0.5 m 网 络 RTK 定 位 技 术• 结 合 RTK 和 基 准 站 技 术• 要 求 : 在 区 域 内 架 设 多 个 基 准 站• 定 位 精 度 :0.01-0.05m( 水 平 实 时 )

目 前 GPS 观 测 精 度定 位 :精 度 序 列静 态 事 后1-5mm 1-5cm 1-5dm实 时 动 态 1-5cm 1-5dm 1-5m定 时 :同 步 事 后同 步 实 时单 机 实 时精 度 序 列0.1-0.5ns 1-5ns1-5ns 10-50ns100-500ns

GPS 观 测 精 度 分 布 谱定位方法绝对差分相 位 观 测 值SPS——标 准 定 位 服 务PPS——精 密 定 位 服 务SA —— 选 择 可 用 性载 波 相 位RTK 导 航相 位 平 滑 伪 距 DGPS伪 距 / 载 波 相 位 浮 动 解伪 距 DGPS码 观 测 值PPSSPS( 无 SA)SPS( 有 SA)测 量 ( 静 态 )图 例1mm(+1ppm)2mm5mm1cm2cm5cm10cm20cm50cm1m2m5m 10 m20m50m100m5% 50% 95%分 布GPS 定 位 平 面 精 度 谱

内 容1、 、 概 述2、GPS相 位 观 测 值3、GPS定 位 的 误 差 源4、GPS差 分 技 术5、 、 常 规 RTK 技 术6、 、 网 络 RTK 技 术7、 、 总 结

2、GPS相 位 观 测 值 2.1 相 位 观 测 原 理• 2.1.1 载 波 测 距• 2.1.2 GPS 载 波 相 位 测 距 2.2 观 测 方 程 和 误 差 方 程 2.3 载 波 相 位 差 分 观 测 值

2.1.1 载 波 测 距ϕtjϕt iϕt iR= λ ϕ t −ϕjt i(c)2002, 黄 劲 松

2.1.2 GPS 载 波 相 位 测 量 的 基 本 原 理 ( 一 )理 想 情 况实 际 情 况ϕ Sϕ Sρ=λ(ϕ −ϕ S R)Φ( t R )接 收 机 根 据 自 身的 钟 在 t R时 刻 复制 信 号 的 相 位接 收 机 根 据 自 身的 钟 在 t R 时 刻 所接 收 到 卫 星 在 t S时 刻 所 发 送 信 号的 相 位Φ() t Sϕ Rρ=λ(Φ( t R)− Φ( t S))ϕ R

2.1.2 GPS 载 波 相 位 测 量 的 基 本 原 理 ( 二 )t i 观 测 值首 次 观 测 :ϕ0ϕ =i= Fr(ϕ)以 后 的 观 测 :Int(ϕ)通 常 表 示 为 :~ ϕ = N + Int(ϕ)+00i+ Fr(ϕ)Int( ϕ)Fr(ϕ)N 0Fr 0 整 周 计 数 整 周 未 知 数 N 0 ( 整 周 模 糊 度 )it 0Fr iInt( )载 波 相 位 观 测 值ϕ iN 0

2、GPS相 位 观 测 值 2.1 相 位 观 测 原 理 2.2 观 测 方 程 和 误 差 方 程• 2.2.1 测 距 码 测 距• 2.2.2 载 波 相 位 测 量 2.3 载 波 相 位 差 分 观 测 值

2.2.1 测 距 码 测 距 ( 观 测 方 程 )信 号 到 达 接收 机 的 时 刻( 由 接 收 机钟 测 定 )伪 距 :~ ρ = c ⋅(t卫 星 钟 的 改正 数RRion− tStrop信 号 离 开 卫星 的 时 刻( 由 卫 星 钟测 定 )S设 : τa= t + V S;τt b= tR+ VtRS则 :~ ρ = c ⋅(t − t ) = c ⋅[(τ −V站 星 真 实 距 离 : ρ = c ⋅(τb−τa) + V故 :~ ρ = ρ −V−V+ c ⋅V− c ⋅V)btStR) − ( τiontRa−V+ Vtstrop)] = c ⋅(τ −τ) + c ⋅Vb电 离 层 折 射 延迟 改 正atS− c ⋅V对 流 层 折 射 延迟 改 正tR接 收 机 钟 的改 正 数

2.2.1 测 距 码 测 距 ( 误 差 方 程 )令 真 实 的 站 星 距 离 : ρ = ( x − X) + ( y − Y) + ( z −Z), i为 卫 星2 2 2i i i i则 站 星 距 离 的 观 测 值 : ρ = ( x− X) + ( y− Y) + ( z−Z)−V − V + cV ⋅ −cV⋅将 ρ 用 泰 勒 级 数 展 开 , 保 留 一 阶 项 , 有i2 2 2i i i i ion trop St tx − X y −Y z −Z x − X y −Y z − Z0ρ = ( ρ ) − dX − dY − dZ = ( ρ ) + dX + dY + dZ( ρ )i 0 i 0 i 0 i 0 i 0ii 0 i 0 i( ρ0) i( ρ0) i( ρ0) i( ρ0) i( ρ0)i其 中 :( ρ ) = ( x − X ) + ( y − Y ) + ( z −Z) ;2 2 20 i i 0 i 0 i 0X = X + dX; Y = Y + dY;Z = Z + dZ令 :0 0 0x − X y −Y z −Zl = ; m = ; n =i 0 i 0 i 0i i i( ρ0) i( ρ0) i( ρ0)iL = ( ρ ) − ρ + c⋅V −( V ) −( V )i 0 i i St ion i trop ii则 误 差 方 程 为 : V =−l dX −m dY −n dZ −c ⋅ V + Li i i i t iR0Ri

2.2.2 载 波 相 位 测 量原 始 形 式 :ρ线 性 化 后 :ϕ ⋅λ=iiX0− x( ρ )= ( ϕ + Niiϕ ⋅λ= ρ − N0xi− X= −( ρ )i0iiY0− yidX +( ρ )0dX0iiyi−Y−( ρ )0) ⋅λ+ cViidY0i⋅λ− cVdYiitZ0+ zi+( ρ )0Rzi− Z−( ρ )0it− cVRdZ0dZtS+ cVt+ ( ρ )0+ ( ViS+ ( ρ )0iion− ( V)iion+ V)− Nλ− cVtiR− Nλ− cVttrop−V+ cVRtroptS+ cV− ( VtSion− ( V)iion−V)itrop−Vtrop误 差 方 程 为 :viLi= −ldX − m dY − n dZ − N λ − cV其 中 :i= ( ρ 0) − λϕ − ( Viiiiion)i−VitroptR+ cVtS+Li

2、GPS相 位 观 测 值 2.1 相 位 观 测 原 理 2.2 观 测 方 程 和 误 差 方 程 2.3 载 波 相 位 差 分 观 测 值• 概 述• 原 始 载 波 观 测 值• 单 差 双 差 和 三 差

概 述 差 分 观 测 值 的 定 义• 将 相 同 频 率 的 GPS 载 波 相 位 观 测 值 依 据 某 种 方 式 求 差 所获 得 的 新 的 组 合 观 测 值 ( 虚 拟 观 测 值 ) 差 分 观 测 值 的 特 点• 可 以 消 去 某 些 不 重 要 的 参 数 , 或 将 某 些 对 确 定 待 定 参 数 有较 大 负 面 影 响 的 因 素 消 去 或 消 弱 其 影 响 求 差 方 式• 站 间 求 差• 卫 星 间 求 差• 历 元 间 求 差

原 始 载 波 相 位 观 测 值kiki LkIonoikjϕ ( t)⋅ λ = ρ ( t)− N ⋅λ−V( t)−V( t)−c⋅V( t)+ c⋅V( t)+ εiLSm mLmR itL mkTrop itki不 随 时 间变 化空 间 相 关性 强空 间 相 关性 强与 卫 星无 关与 接 收 机无 关

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ϕI , JA 特 点J I( t)= ϕ ( t)−ϕ( t)A• 消 除 了 接 收 机 钟 差 的 影 响AIJA星 间 差 分 :A J-A IJ 为 参 考 星

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IIIϕA( ti,ti+) = ϕA(ti+1)−ϕA(t 特 点1 i• 消 去 了 整 周 未 知 数 参 数)I(t) iI(t )i+ 1A历 元 间 差 分 :A I(t )-A I(t)i+ 1 i

单 差 、 双 差 和 三 差 单 差 : 站 间 一 次 差 分 双 差 : 站 间 、 星 间 各 求 一 次 差 ( 共 两 次 差 ) 三 差 : 站 间 、 星 间 和 历 元 间 各 求 一 次 差 ( 三 次 差 )单 差 双 差 三 差ϕj jj,kkjj,kj,kj,k( t)= ϕ ( t)−ϕ( ) ϕ t)= ϕ ( t)−ϕ( ) ϕ ( t , t ) ϕ ( t ) −ϕ( t )jA, B B AtA, B(A,B A,BtA, B i i+1=A,B i+1 A,B i

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 引 入 基 线 矢 量 替 代 了 位 置 矢 量 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

内 容1、 、 概 述2、GPS相 位 观 测 值3、GPS定 位 的 误 差 源4、GPS差 分 技 术5、 、 常 规 RTK 技 术6、 、 网 络 RTK 技 术7、 、 总 结

3.1 概 述

3.2 GPS 测 量 误 差 来 源 与 卫 星 有 关 的 误 差• 卫 星 轨 道 误 差• 卫 星 钟 差• 相 对 论 效 应 与 传 播 途 径 有 关 的 误 差• 电 离 层 延 迟• 对 流 层 延 迟• 多 路 径 效 应 与 接 收 设 备 有 关 的 误 差• 接 收 机 天 线 相 位 中 心 的 偏 移 和 变 化• 接 收 机 钟 差• 接 收 机 内 部 噪 声

3.3 GPS 测 量 误 差 性 质 偶 然 误 差• 内 容 卫 星 信 号 发 生 部 分 的 随 机 噪 声 接 收 机 信 号 接 收 处 理 部 分 的 随 机 噪 声 其 它 外 部 某 些 具 有 随 机 特 征 的 影 响• 特 点 随 机 量 级 小 – 毫 米 级 系 统 误 差 ( 偏 差 -Bias)• 内 容 其 它 具 有 某 种 系 统 性 特 征 的 误 差• 特 点 具 有 某 种 系 统 性 特 征 量 级 大 – 最 大 可 达 数 百 米

3.4 GPS 测 量 误 差 大 小SPS( 无 SA)误 差 来 源1-sigma 误 差 , 单 位 m偏 差 随 机 误 差 总 误 差星 历 数 据 2 .1 0.0 2.1卫 星 钟 2.0 0.7 2.1电 离 层 4.0 0.5 4.0对 流 层 0.5 0.5 0.7多 路 径 1.0 1.0 1.4接 收 机 观 测 0.5 0.2 0.5用 户 等 效 距 离 误 差 (UERE), rms 5.1 1.4 5.3滤 波 后 的 UERE,rms 5.1 0.4 5.11-sigma 垂 直 误 差 –VDOP = 2.5 12.81-sigma 水 平 误 差 –HDOP = 2.0 10.2

3.4 GPS 测 量 误 差 大 小SPS( 有 SA)误 差 来 源1-sigma 误 差 , 单 位 m偏 差 随 机 误 差 总 误 差星 历 数 据 2 .1 0.0 2.1卫 星 钟 20.0 0.7 20.0电 离 层 4.0 0.5 4.0对 流 层 0.5 0.5 0.7多 路 径 1.0 1.0 1.4接 收 机 观 测 0.5 0.2 0.5用 户 等 效 距 离 误 差 (UERE), rms 20.5 1.4 20.6滤 波 后 的 UERE,rms 20.5 0.4 20.51-sigma 垂 直 误 差 –VDOP = 2.5 51.41-sigma 水 平 误 差 –HDOP = 2.0 41.1

3.4 GPS 测 量 误 差 的 大 小PPS, 双 频 ,P/Y- 码误 差 来 源1-sigma 误 差 , 单 位 m偏 差 随 机 误 差 总 误 差星 历 数 据 2 .1 0.0 2.1卫 星 钟 2.0 0.7 2.1电 离 层 1.0 0.7 1.2对 流 层 0.5 0.5 0.7多 路 径 1.0 1.0 1.4接 收 机 观 测 0.5 0.2 0.5用 户 等 效 距 离 误 差 (UERE), rms 3.3 1.5 3.6滤 波 后 的 UERE,rms 3.3 0.4 3.31-sigma 垂 直 误 差 –VDOP = 2.5 8.31-sigma 水 平 误 差 –HDOP = 2.0 6.6

3.5 消 除 或 消 弱 各 种 误 差 影 响 的 方 法 1 模 型 改 正 法• 原 理 : 利 用 模 型 计 算 出 误 差 影 响 的 大 小 , 直 接 对观 测 值 进 行 修 正• 适 用 情 况 : 对 误 差 的 特 性 、 机 制 及 产 生 原 因 有 较深 刻 了 解 , 能 建 立 理 论 或 经 验 公 式• 所 针 对 的 误 差 源 相 对 论 效 应 电 离 层 延 迟 对 流 层 延 迟改 正 后 的 观 测 值 = 原 始 观 测 值 + 模 型 改 正 卫 星 钟 差• 限 制 : 有 些 误 差 难 以 模 型 化

3.5 消 除 或 消 弱 各 种 误 差 影 响 的 方 法 2 求 差 法• 原 理 : 通 过 观 测 值 间 一 定 方 式 的 相 互 求 差 , 消 去或 消 弱 求 差 观 测 值 中 所 包 含 的 相 同 或 相 似 的 误 差影 响• 适 用 情 况 : 误 差 具 有 较 强 的 空 间 、 时 间 或 其 它 类型 的 相 关 性 。• 所 针 对 的 误 差 源 如 电 离 层 延 迟 对 流 层 延 迟 卫 星 轨 道 误 差• 限 制 : 空 间 相 关 性 将 随 测 站 间 距 离 的 增 加 而 减 弱

3.5 消 除 或 消 弱 各 种 误 差 影 响 的 方 法 3 参 数 法• 原 理 : 采 用 参 数 估 计 的 方 法 , 将 系 统 性 偏 差 求 定出 来• 适 用 情 况 : 几 乎 适 用 于 任 何 的 情 况• 限 制 : 不 能 同 时 将 所 有 影 响 均 作 为 参 数 来 估 计

相 对 论 效 应 消 除 方 法 方 法 ( 分 两 步 ): 首 先 考 虑 假 定 卫 星 轨 道 为圆 轨 道 的 情 况 ; 然 后 考 虑 卫 星 轨 道 为 椭 圆 轨道 的 情 况 。• 第 一 步 :在 地 面 上 调 低 将 要 搭 载 到 卫 星 上 去 的 钟 的 频 率 , 调 低 后 的 频 率 为−1010.23MHz × (1 − 4.449×10 ) = 10.22999999545MHz• 第 二 步 :在 时 刻 t时 , 在 卫 星 钟 读 数 上 加 上 改 正 数 Δt,Δtr( t)= F ⋅e⋅A ⋅sinE(t)1 2− 2⋅μ Δt −101 2r( t)= −2290esinE(t)F = = −4.442807633×10 s m2c因 为 :因 而 , 实 际 卫 星 钟 的 改 正 Δt(t)应 为F ⋅ A ≈ 22902ΔtL1(t)= a0+ a1⋅(t − toc) + a2⋅(t − toc) + Δtr−TGDA ≈ 26560kmr

相 对 论 效 应 对 卫 星 钟 的 影 响 3 相 对 论 效 应 对 卫 星 钟 的 影 响• 狭 义 相 对 论 + 广 义 相 对 论f Δf s= 令 :Δ 1在 狭 义 相 对 论 效 应 和 广 义 相 对 论 效 应 的 共 同 作 用 下 , 卫 星 上钟 频 率 相 对 于 其 在 地 面 上 时 总 的 变 化 量 Δf为 :Δf= Δf1 + Δf2= 4.449×10−10⋅f

B、 电 离 层 延 迟 (Ionosphere)电 离 层TEC柱 体 底 面 积 为 1m 2地 球

电 子 密 度 与 总 电 子 含 量 电 子 密 度 与 总 电 子 含 量• 电 子 密 度 : 单 位 体 积 中 所包 含 的 电 子 数 。• 总 电 子 含 量 (TEC –Total ElectronContent): 底 面 积 为 一个 单 位 面 积 时 沿 信 号 传 播路 径 贯 穿 整 个 电 离 层 的 一个 柱 体 内 所 含 的 电 子 总数 。电 离 层TEC柱 体 底 面 积 为 1m 2地 球

电 子 密 度 与 大 气 高 度 的 关 系

电 子 含 量 与 地 方 时 的 关 系

电 子 含 量 与 太 阳 活 动 情 况 的 关 系 与 太 阳 活 动 密 切 相 关 , 太阳 活 动 剧 烈 时 , 电 子 含 量增 加 太 阳 活 动 周 期 约 为 11 年1700 年 –1995 年 太 阳 黑 子 数

电 子 含 量 与 地 理 位 置 的 关 系2002.5.15 1:00 – 23:00 2 小 时 间 隔 全 球 TEC 分 布

常 用 电 离 层 延 迟 改 正 方 法 分 类 经 验 模 型 改 正 :• 方 法 : 根 据 以 往 观 测 结 果 所 建 立 的 模 型• 改 正 效 果 : 差 双 频 改 正• 方 法 : 利 用 双 频 观 测 值 直 接 计 算 出 延 迟 改 正 或 组 成 无 电 离层 延 迟 的 组 合 观 测 量• 效 果 : 改 正 效 果 最 好 实 测 模 型 改 正• 方 法 : 利 用 实 际 观 测 所 得 到 的 离 散 的 电 离 层 延 迟 ( 或 电 子含 量 ), 建 立 模 型 ( 如 内 插 )• 效 果 : 改 正 效 果 较 好

经 验 模 型 Bent 模 型• 由 美 国 的 R.B.Bent 提 出• 描 述 电 子 密 度• 是 经 纬 度 、 时 间 、 季 节 和 太 阳 辐 射 流 量 的 函 数 国 际 参 考 电 离 层 模 型 (IRI – International ReferenceIonosphere)• 由 国 际 无 线 电 科 学 联 盟 (URSI – International Union of RadioScience) 和 空 间 研 究 委 员 会 (COSPAR - Committee on SpaceResearch) 提 出• 描 述 高 度 为 50km-2000km 的 区 间 内 电 子 密 度 、 电 子 温 度 、 电 离 层 温 度 、电 离 层 的 成 分 等• 以 地 点 、 时 间 、 日 期 等 为 参 数 Klobuchar 模 型• 由 美 国 的 J.A.Klobuchar 提 出• 描 述 电 离 层 的 时 延• 广 泛 地 用 于 GPS 导 航 定 位 中• GPS 卫 星 导 航 电 文 中 播 发 其 模 型 参 数 供 用 户 使 用 ,• 可 改 正 60% 左 右

Klobuchar 模 型 1 中 心 电 离 层电 离 层天 顶 方 向Z中 心 电 离 层约 350km电 离 层 穿 刺 点 IP地 球中 心 电 离 层

Klobuchar 模 型 2 模 型 算 法信 号 的 电 离 层 穿 刺 点 处 天 顶 方 向 的 电 离 层 时 延2πTg= Z⋅ × + A t−P其 中 :A =P =−9hsec [5 10 cos ( 14 )]3i=03i=0iiimim;α ( i = 0,1,2,3) ; β ( i = 0,1,2,3) 由 卫 星 所 发 送 的 导 航 电 文 提 供 ;im∑∑αϕ ;βϕi天 顶 方 向电 离 层约 350km地 球ϕ 为 信 号 的 电 离 层 穿 刺 点 IP处 的 地 磁 纬 度 , 可 采 用 下 面 步 骤 计 算Z中 心 电 离 层电 离 层 穿 刺 点 IP

Klobuchar 模 型 3 模 型 算 法 ( 续 )445°计 算 测 站 S和 IP在 点 心 的 夹 角 : EA= ( ) − 4 ° , el为 测 站 处 卫 星 的 高 度 角el + 20°计 算 IP点 的 地 心 经 纬 度 λ , ϕ :ϕλIPIP= ϕ + EA⋅cosa;Ssin a= λS+ EA⋅;cosϕa为 卫 星 的 方 位 角考 虑 到 目 前 地 磁 北 极 位 于 东 经 291.0° , 北 纬 78.4°有 ϕ = ϕ + 11.6⋅cos( λ − 291.0 ° )m IP IPλIPt为IP处 的 地 方 时 t = UT +15Z为 卫 星 信 号 在 IP处 的 天 顶 距 : sec Z 改 正 效 果 : 可 改 正 60% 左 右SIPIP96°−el= 1+ 2 ⋅( )90°电 离 层3约 350km测 站 S天 顶 方 向地 球EA地 心Z中 心 电 离 层电 离 层 穿 刺 点 IP

双 频 改 正令 A = −40.3⋅TEC, 即 有 电 离 层 延 迟 Δ设 :采 用 L1上 的 测 距 码 所 测 定 的 站 星 距 为 ρ ,采 用 L2上 的 测 距 码 所 测 定 的 站 星 距 为 ρ实 际 的 站 星 距 为 S则 : S = ρ +得 : Δρ= ρ − ρ =即 : Δρ= V故 :VVionogr 1ionogr 21121= 1.54573⋅Δρ= ρ += 0.6469⋅V= 2.54573⋅ΔρfAionogr 1⋅221f2−ffA2222ff−22ionogr 1A22fA21= Vf1= A⋅fionogr 2⋅2121f= 0.3928⋅V2ionogr−⋅−ff21ionogr 2122222ff22= −=f= VA2fA21, 或 电 离 层 延 迟 改 正 V⋅ionogr 121f−f22f22=f2154 −120⋅2120A222⋅f= V21−f21ionogr 2fionogr22= −Δionogr2154 −120⋅21542=A2f

实 测 模 型 改 正 1 基 本 思 想• 利 用 基 准 站 的 双 频 观 测 数 据 计 算 电 离 层 延 迟• 利 用 所 得 到 的 电 离 层 延 迟 量 建 立 局 部 或 全 球 的 的TEC 实 测 模 型 类 型• 局 部 模 型 适 用 于 局 部 区 域• 全 球 模 型 适 用 于 全 球 区 域

实 测 模 型 改 正 2 局 部 ( 区 域 性 ) 的 实 测 模 型 改 正• 方 法TEC(ϕ,s)其 中 :nEmaxnmϕ , s0, m为 以 ϕ和 s为 变 量 的 二 元 泰 勒 级 数 展 开 式 的 最 高 阶 数 ;为 展 开 式 的 系 数 ( 待 求 );0maxnmmax max= ∑∑n= 0 m=0E为 原 点 坐 标 。nm⋅(ϕ −ϕ)• 适 用 范 围 : 局 部 地 区 的 电 离 层 延 迟 改 正0n⋅(s − sϕ为IP点 的 地 心 纬 度 , s为IP点 的 太 阳 时 , s =0)mLT −π≈ UT + λ −π;

实 测 模 型 改 正 3 全 球 ( 大 范 围 ) 的 实 测 模 型 改 正• 方 法TEC(ϕ,s)其 中 :n~Pnm为 球 谐 展 开 式 的 最 高 阶 数 ;=Λ(n,m)⋅ P为 基 于 正 规 化 函 数 Λ(n,m)和 勒 让 德 ( Legendre)多 项 式 Pn阶m次 正 规 化 缔 合 勒 让 德 ( Legendre)多 项 式 ;anm, bnmnnn= 0 m=0nm~Pnm⋅sinϕ⋅(aϕ为IP点 的 地 心 纬 度 , s为IP点 的 太 阳 时 , s = LTmaxmax= ∑∑为 球 谐 系 数 ( 待 求 )。• 适 用 范 围 : 用 于 大 范 围 和 全 球 的 电 离 层 延 迟 改 正 格 网 化 的 电 离 层 延 迟 改 正 模 型nm⋅cosms + bnm⋅sinms)−π≈ UT + λ −π;n,m的

C、 对 流 层 延 迟 (Troposphere(Troposphere)

常 用 对 流 层 延 迟 改 正 方 法 常 用 模 型 改 正• 霍 普 菲 尔 德 (Hopfield) 改 正 模 型• 萨 斯 塔 莫 宁 (Saastamoinen) 改 正 模 型• 勃 兰 克 (Black) 改 正 模 型 不 同 模 型 所 算 出 的 高 度 角 30° 以 上 方 向 的 延 迟 差 异 不 大 Black 模 型 可 以 看 作 是 Hopfield 模 型 的 修 正 形 式 Saastamoinen 模 型 与 Hopfield 模 型 的 差 异 要 大 于Black 模 型 与 Hopfield 模 型 的 差 异

霍 普 菲 尔 德 (Hopfield(Hopfield) 改 正 模 型 1 出 发 点• 导 出 折 射 率 与 高 度 的 关 系dTdh⇒hhdwdP= −β; = −ρg;PVdhhdN = Nd+ Nw= ( Nd)s(h其 中 := 40136 + 148.72×( T= 11000sd=− h− hRT;C含 下 标 s的 量 表 示 为 测 站 上 的 值 ;− 273.16)+ ( N• 沿 高 度 进 行 积 分 , 导 出 垂 直 方 向 上 的 延 迟• 通 过 投 影 ( 映 射 ) 函 数 , 得 出 信 号 方 向 上 的 延 迟s)4dwR=Mh)s(hww− h− hs)4

霍 普 菲 尔 德 (Hopfield(Hopfield) 改 正 模 型 2 对 流 层 折 射 模 型Δs= ΔsKKhhdw= 40136 + 148.72×( Te 为 水 气 压sdwd= 11000+ Δsw= 155.2×10= 155.2×10=sin( E−7−7Ps×Ts× ( h2s2Kd+ 6.25)sd4810× × eT− h )ss1 2× ( hw− 273.16)+sin( E− h )s2Kw+ 2.25)1 2

霍 普 菲 尔 德 (Hopfield(Hopfield) 改 正 模 型 3 投 影 函 数 的 修 正1m =a1sin E +a2tgE +sin E + a其 中 a , a , a3 是 与 测 站 气 压 、 温 度 、 高 度 等 有 关 的 量 。123

萨 斯 塔 莫 宁 (Saastamoinen(Saastamoinen) 改 正 模 型 1 原 始 模 型0.002277Δs= [ Pssin E其 中 :W ( ϕ,h ) = 1+0.0026cos 2ϕ+ 0.00028hB与h 有 关 , 可 查 表 获 得 ;ssδR与E和h 有 关 , 可 查 表 获 得 。s1255+ ( + 0.05) eTssB− ] W ( ϕ,hs) + δR2tg Es

萨 斯 塔 莫 宁 (Saastamoinen(Saastamoinen) 改 正 模 型 2 拟 合 后 的 公 式0.002277Δs= [ Pssin E'其 中 :E'= E + ΔE16"ΔE= ( Ps+Ts1255+ ( + 0.05) eT4810e)ctgETsss−a]2tg Ea= 1.16 − 0.15×10−3× hs+ 0.716×10−8h2s

勃 兰 克 (Black(Black) 改 正 模 型Δs=Kd其 中 :⎡⎢⎢⎢⎢⎣cos E1−(h1+(1 − l0)hds)2⎤⎥− b(E)⎥ + K⎥⎥⎦w⎡⎢⎢⎢⎢⎣cos E1−(h1+(1 − l0)hws)2⎤⎥− b(E)⎥⎥⎥⎦l0= 0.833 + [0.076 + 0.00015×( Tb = 1.92( EhhdwKKdw= 148.98( T= 13000= 0.002312×( T= 0.202+ 0.6)s−1− 3.96)sPs− 3.69) ×Ts− 273)]−0.3⋅E

对 流 层 模 型 改 正 的 误 差 分 析 模 型 误 差• 模 型 本 身 的 误 差 气 象 元 素 误 差• 量 测 误 差 仪 器 误 差 读 数 误 差• 测 站 气 象 元 素 的 代 表 性 误 差• 实 际 大 气 状 态 与 大 气 模 型 间 的 差 异

D、 多 路 径 误 差 多 路 径 (Multipath) 误 差• 在 GPS 测 量 中 , 被 测 站 附 近 的物 体 所 反 射 的 卫 星 信 号 ( 反 射波 ) 被 接 收 机 天 线 所 接 收 , 与直 接 来 自 卫 星 的 信 号 ( 直 接波 ) 产 生 干 涉 , 从 而 使 观 测 值偏 离 真 值 产 生 所 谓 的 “ 多 路 径 误差 ”。 多 路 径 效 应• 由 于 多 路 径 的 信 号 传 播 所 引 起的 干 涉 时 延 效 应 称 为 多 路 径 效应 。

反 射 波 反 射 波 的 几 何 特 性反 射 信 号 相 对 于 直 接 信 号 多 经 过 的 路 径 长 度 Δ为 :Δ = GA − OA = GA − GA⋅cos 2z= GA⋅(1− cos 2z)HH2= ⋅(1− cos 2z)= ⋅(1− (1 − 2sin z))= 2⋅H ⋅sinsin zsin z反 射 信 号 相 对 于 直 接 信 号 的 相 位 差 θ为 :θ =Δ⋅ 2π=λ4π⋅ H ⋅sinzλ 反 射 波 的 物 理 特 性• 反 射 系 数• 极 化 特 性GPS信 号 为 右 旋 极 化H 反 射 信 号 为 左 旋 极 化AO2zS'zSzGzS'

多 路 径 误 差 1 受 多 路 径 效 应 影 响 的 情 况 下 的 接 收 信 号直 接 信 号 : S反 射 信 号 : S实 际 接 收 信 号 :S=Sd+ Srdr= U ⋅cosωt= a ⋅U⋅cos(ωt+ θ )= U ⋅cosωt+ a ⋅U⋅cos(ωt+ θ )= U ⋅cosωt+ a ⋅U⋅cosωtcosθ− a ⋅U⋅sinωtsinθ= (1 + a ⋅cosθ) ⋅U⋅cosωt− ( a ⋅sinθ) ⋅U⋅sinωt因 为 接 收 信 号 也 可 表 示 为 :S = β ⋅U⋅cos(ωt+ ϕ)= β ⋅U⋅cosωtcosϕ− β ⋅U⋅sinωtsinϕ= ( β ⋅cosϕ)⋅U⋅cosωt− ( β ⋅sinϕ)⋅U⋅sinωt

多 路 径 误 差 2则 有 :1+a ⋅cosθ= β ⋅cosϕa ⋅sinθ= β ⋅sinϕ对 上 面 两 式 求 平 方 和 , 有22( 1+a ⋅cosθ) + ( a ⋅sinθ)= (1 + 2⋅a⋅cosθ+ ( a ⋅cosθ)= (1 + 2⋅a ⋅cosθ+ a得 : β =) = ( β ⋅cosϕ)1+2⋅a ⋅cosθ+ aa ⋅sinθtgϕ=1+a ⋅cosθa ⋅sinθ得 : ϕ = arctg()1+a ⋅cosθ222+ ( β ⋅sinϕ)将 上 面 两 式 中 的 第 一 式 除 以 第 二 式 , 有22= β22) + ( a ⋅sinθ)

多 路 径 误 差 3 多 路 径 的 数 值 特 性dϕ1 (1 + a cosθ) ⋅ a cosθ+ a=⋅2dθa sinθ21+( )(1 + a cosθ)1+a cosθ2a cosθ+ a== 0(1 + a cosθ)(1 + a cosθ+ a sinθ)则 , 当 θ = ± arccos( −a)时 , ϕ取 得 极 值 ;ϕmax= ± arcsin a 受 多 个 反 射 信 号 影 响 的 情 况ϕ= 1=niarctg(1+n∑∑i=1ai⋅sinθi)a ⋅cosθii2sinθ

多 路 径 误 差 的 特 点 与 测 站 环 境 有 关 与 反 射 体 性 质 有 关 与 接 收 机 结 构 、 性 能 有 关

应 对 多 路 径 误 差 的 方 法 1 观 测 上• 选 择 合 适 的 测 站 , 避 开 易 产 生 多 路 径 的 环 境易 发 生 多 路 径 的 环 境

应 对 多 路 径 误 差 的 方 法 2 硬 件 上• 采 用 抗 多 路 径 误 差 的 仪 器 设 备 抗 多 路 径 的 天 线 : 带 抑 径 板 或 抑 径 圈 的 天 线 , 极 化天 线 抗 多 路 径 的 接 收 机 : 窄 相 关 技 术 MEDLL(MultipathEstimating Delay Lock Loop) 等抗 多 路 径 效 应 的 天 线

应 对 多 路 径 误 差 的 方 法 3 数 据 处 理 上• 加 权• 参 数 法• 滤 波 法• 信 号 分 析 法

E、 卫 星 星 历 误 差 定 义• 由 星 历 所 给 出 的 卫 星 在 空 间 中 的 位 置 与 其 实 际 位置 之 差 。 特 点• 直 接 造 成 定 位 结 果 发 生 偏 差 应 对 方 法• 建 立 卫 星 跟 踪 网 进 行 精 密 定 轨• 轨 道 松 弛 法 ( 在 计 算 待 定 点 位 置 时 , 将 卫 星 位 置作 为 参 数 )• 采 用 相 对 定 位 或 差 分 定 位

F、 卫 星 钟 差 定 义• 卫 星 钟 读 数 与 真 实 的 GPS 时 间 之 差 。 特 点• 造 成 距 离 测 定 发 生 偏 差 应 对 方 法• 采 用 广 播 星 历 中 的 钟 差 改 正 参 数 进 行 改 正• 使 用 IGS 提 供 的 精 密 卫 星 钟 差 改 正 数• 采 用 相 对 定 位 或 差 分 定 位

内 容1、 、 概 述2、GPS相 位 观 测 值3、GPS定 位 的 误 差 源4、GPS差 分 技 术5、 、 常 规 RTK 技 术6、 、 网 络 RTK 技 术7、 、 总 结

4、 GPS 差 分 技 术 4.1 概 述 4.2 差 分 基 本 原 理 4.3 差 分 GPS 类 型 4.4 主 要 差 分 方 法

4.1 概 述 差 分 GPS 产 生 的 诱 因 : 绝 对 定 位 精 度 不 能 满 足要 求• GPS 绝 对 定 位 的 精 度 受 多 种 误 差 因 素 的 影 响 , 完 全 满足 某 些 特 殊 应 用 的 要 求• 美 国 的 GPS 政 策 对 GPS 绝 对 定 位 精 度 的 影 响 ( 选 择 可用 性 SA) 差 分 GPS(DGPS – Differential GPS)• 利 用 设 置 在 坐 标 已 知 的 点 ( 基 准 站 ) 上 的 GPS 接 收 机测 定 GPS 测 量 定 位 误 差 , 用 以 提 高 在 一 定 范 围 内 其 它GPS 接 收 机 ( 流 动 站 ) 测 量 定 位 精 度 的 方 法 RTCM-104 格 式

SA 政 策 对 绝 对 定 位 的 影 响SA 关 闭 前 后 GPS 绝 对 定 位 精 度 的 变 化

影 响 绝 对 定 位 精 度 的 主 要 误 差 主 要 误 差• 卫 星 轨 道 误 差• 卫 星 钟 差• 大 气 延 迟 ( 对 流 层 延 迟 、 对 流 层 延 迟 )• 多 路 径 效 应 对 定 位 精 度 的 影 响定 位 精 度 = 等 效 距 离 误 差 × PDOPPDOP通 常 大 于 1。

4、 GPS 差 分 技 术 4.1 概 述 4.2 差 分 基 本 原 理 4.3 差 分 GPS 类 型 4.4 主 要 差 分 方 法

4.2 差 分 GPS 的 基 本 原 理 误 差 的 空 间 相 关 性• 以 上 各 类 误 差 中 除 多 路 径 效 应 均 具 有 较 强 的 空 间 相 关 性 ,从 而 定 位 结 果 也 有 一 定 的 空 间 相 关 性 。 差 分 GPS 的 基 本 原 理• 利 用 基 准 站 ( 设 在 坐 标 精 确 已 知 的 点 上 ) 测 定 具 有 空 间 相关 性 的 误 差 或 其 对 测 量 定 位 结 果 的 影 响 , 供 流 动 站 改 正 其观 测 值 或 定 位 结 果 差 分 改 正 数 的 类 型• 距 离 改 正 数 : 利 用 基 准 站 坐 标 和 卫 星 星 历 可 计 算 出 站 星 间的 计 算 距 离 , 计 算 距 离 减 去 观 测 距 离 即 为 距 离 改 正 数 。• 位 置 ( 坐 标 改 正 数 ) 改 正 数 : 基 准 站 上 的 接 收 机 对 GPS 卫星 进 行 观 测 , 确 定 出 测 站 的 观 测 坐 标 , 测 站 的 已 知 坐 标 与观 测 坐 标 之 差 即 为 位 置 的 改 正 数 。

差 分 GPS 对 测 量 定 位 精 度 的 改 进

4、 GPS 差 分 技 术 4.1 概 述 4.2 差 分 基 本 原 理 4.3 差 分 GPS 类 型 4.4 主 要 差 分 方 法

4.3 差 分 GPS 的 分 类 根 据 时 效 性• 实 时 差 分• 事 后 差 分 根 据 观 测 值 类 型• 伪 距 差 分• 载 波 相 位 差 分 根 据 差 分 改 正 数• 位 置 差 分 ( 坐 标 差 分 )• 距 离 差 分距 离改 正• 局 域 差 分 (LADGPS – Local Area DGPS) 根 据 工 作 原 理 和 差 分 模 型 单 基 准 站 差 分坐 标改 正 多 基 准 站 差 分• 广 域 差 分 (WADGPS – Wide Area DGPS)位 置 差 分距 离 差 分

位 置 差 分 和 距 离 差 分 的 特 点 位 置 差 分• 差 分 改 正 计 算 的 数 学 模 型 简 单• 差 分 数 据 的 数 据 量 少• 基 准 站 与 流 动 站 要 求 观 测 完 全 相 同 的 一 组 卫 星 距 离 差 分• 差 分 改 正 计 算 的 数 学 模 型 较 复 杂• 差 分 数 据 的 数 据 量 较 多• 基 准 站 与 流 动 站 不 要 求 观 测 完 全 相 同 的 一 组 卫 星

4、 GPS 差 分 技 术 4.1 概 述 4.2 差 分 基 本 原 理 4.3 差 分 GPS 类 型 4.4 主 要 差 分 方 法

4.4 主 要 GPS 差 分 技 术 局 域 差 分• 单 站 局 域 差 分 :DGPS:DGPS,RTK• 多 站 局 域 差 分 :Multi:Base RTK• 网 络 局 域 差 分 :VRS:VRS,FKP,CBI 广 域 差 分 最 新 进 展

主 要 差 分 方 法 - 单 基 准 站 局 域 差 分 结 构• 基 准 站 ( 一 个 )、 数 据 通 讯 链 和 用 户 数 学 模 型 ( 差 分 改 正 数 的 计 算 方 法 )• 提 供 距 离 改 正 和 距 离 改 正 的 变 率dVV ( ti+ Δt)= V ( ti) + ⋅ ΔtdtdVV为 距 离 改 正 数 ; 为 距 离 改 正 数 的 变 率 。dt 特 点• 优 点 : 结 构 、 模 型 简 单流 动 站( 用 户 )数 据 通讯 链• 缺 点 : 差 分 范 围 小 , 精 度 随 距 基 准 站 距 离 的 增 加 而 下 降 ,可 靠 性 低基 准 站

主 要 差 分 方 法 - 多 基 准 站 局 域 差 分 结 构• 基 准 站 ( 多 个 )、 数 据 通 讯 链 和 用 户 数 学 模 型 ( 差 分 改 正 数 的 计 算 方 法 )• 加 权 平 均• 偏 导 数 法• 最 小 方 差 法 特 点• 优 点 : 差 分 精 度 高 、 可 靠 性 高 , 差 分 范 围增 大• 缺 点 : 差 分 范 围 仍 然 有 限 , 模 型 不 完 善多 基 准 站 差 分 系 统 结 构

主 要 差 分 方 法 - 广 域 差 分 结 构• 基 准 站 ( 多 个 )、 数 据 通 讯 链 和 用 户 数 学 模 型 ( 差 分 改 正 数 的 计 算 方 法 )• 与 普 通 差 分 不 相 同 普 通 差 分 是 考 虑 的 是 误 差 的 综 合 影 响 广 域 差 分 对 各 项 误 差 加 以 分 离 , 建 立 各 自的 改 正 模 型• 用 户 根 据 自 身 的 位 置 , 对 观 测 值 进 行 改 正 特 点• 优 点 : 差 分 精 度 高 、 差 分 精 度 与 距 离 无 关 、 差 分 范 围 大• 缺 点 : 系 统 结 构 复 杂 、 建 设 费 用 高

差 分 GPS 的 新 进 展 1 增 强 型 系 统• 特 点 伪 卫 星 技 术 卫 星 通 讯 技 术• 类 型LAAS – Local Area Augmentation System• 采 用 地 基 伪 卫 星WAAS – Wide Area Augmentation System• 采 用 空 基 伪 卫 星• 采 用 通 讯 卫 星 发 送 差 分 改 正 数WAAS

差 分 GPS 的 新 进 展 2VRS – Virtual Reference Station• 作 业 模 型 类 似 RTK• 原 理 利 用 基 准 站 网 计 算 出 用 户 附 近 某 点 ( 虚 拟 参 考 站 )各 项 误 差 改 正 , 再 将 它 们 加 到 利 用 虚 拟 参 考 站 坐 标和 卫 星 坐 标 所 计 算 出 的 距 离 之 上 , 得 出 虚 拟 参 考 站上 的 虚 拟 观 测 值 , 将 其 发 送 给 用 户 , 进 行 实 时 相 对定 位 。• 特 点 精 度 和 可 靠 性 高 属 网 络 RTK

内 容1、GPS系 统2、GPS相 位 观 测 值3、GPS定 位 的 误 差 源4、GPS差 分 技 术5、 、 常 规 RTK 技 术6、 、 网 络 RTK 技 术7、 、 总 结

5、RTK技 术 5.1 概 述 5.2 RTK 类 型 5.3 RTK 系 统 5.4 RTK 的 作 业 误 差 5.5 多 基 准 站 RTK 5.6 RTK 应 用 常 见 问 题

5.1 概 述 RTK 技 术 :• RTK(Real Real Time Kinematics):利 用 载 波相 位 进 行 实 时 定 位 , 属 于 距 离 差 分 。• RTK 算 法 本 质 上 是 静 态 相 对 处 理 : 单 差 , 双差 。• RTK 技 术 的 关 键 是 动 态 双 差 整 周 模 糊 度 搜 索 和定 位 可 靠 性 。 FARA 技 术 LAMDA 技 术 双 频 P 码 技 术 OTF 技 术 ……

5.2 RTK 类 型 类 型 :• 载 波 相 位 差 分 基 准 站 发 送 未 改 正 的 观 测 值 RTCM SC-104 数 据 报 文 18,19 精 度 : 厘 米 级• 准 载 波 相 位 差 分 基 准 站 发 送 载 波 相 位 改 正 值 RTCM SC-104 数 据 报 文 20,21 精 度 : 分 米 级

5.3 RTK 系 统 RTK 系 统• 基 准 站 单 元 , 数 据 链 单 元 , 流 动 站 单 元基 准 站流 动 站

RTK 系 统 - 基 准 站 基 准 站• 要 求 : 双 频 , 具 有 RTK 差 分 基 准 站 数 据 输 出 功能 , 带 有 可 抑 制 多 路 径 效 应 的 天 线 。• 观 测 值 :P1,P2,L1,L2• 采 样 率 : 根 据 实 际 要 求 , 一 般 要 求 1S 或 以 上 。• 输 出 :RTCM SC104 标 准 格 式 或 CMRplus。• 结 构 :GPS 接 收 机 、 天 线 、 数 据 发 播 设 备

RTK 系 统 - 基 准 站 常 用 设 备 :Trimble 4700/5700/5800,Leica 500/530/1200,Ashtech Zxii,Novatel ,……

RTK 系 统 - 流 动 站 流 动 站• 要 求 : 双 频 , 具 备 RTK 差 分 功 能• 观 测 值 :P1、P2、L1、L2• 根 据 实 际 要 求 , 一 般 要 求 1S 或 以 上 。• 输 入 :RTCM SC-104 或 CMR• 组 成 : 天 线 、 接 收 机 、 数 据 接 收 设 备 、 手 簿

RTK 系 统 - 流 动 站 常 用 设 备 :Trimble 4700/5700,Leica1200……

RTK 系 统 - 数 据 链 路 类 型• UHF/VHF 速 度 一 般 在 200 到 4800bps, 非 连 接 优 点 : 面 状 广 播 式 , 可 以 同 时 供 多 个 用 户 使 用 , 通信 接 入 方 式 透 明 (RS-232 接 口 ) 缺 点 : 易 受 干 扰 ,; 陆 地 作 用 距 离 有 限 ( 经 验 值1w/km)• 公 众 网 络 :GSM,CDMA,GPRS 速 度 一 般 在 4800 到 150kbps, 面 向 连 接 的 方 式 优 点 : 可 靠 性 好 , 距 离 不 受 限 制 缺 点 : 受 到 公 众 网 络 的 通 信 条 件 影 响 。

5.4 RTK 作 业 误 差 与 卫 星 有 关 与 传 播 路 径 有 关 与 接 收 机 有 关 与 观 测 环 境 有 关

5.5 多 基 站 RTK 多 基 站 RTK(Multi-Base RTK) 基 准 站 组 架 设• 建 立 相 互 独 立 的 多 个 基 准 站 , 每 个 基 准 站 拥 有 独 立 播 发链 路 , 通 信 方 式 以 UHF/VHF 为 主 。f1f2f3f4流 动 站

多 基 站 RTK 流 动 站 处 理 方 式• 单 站 处 理 根 据 信 号 强 度 或 距 离 选 择 基 准 站 进 行 常 规 RTK 作 业 在 某 基 准 站 出 问 题 的 情 况 下 进 行 切 换 。 本 质 上 是 常 规 RTK。 要 求 流 动 站 通 信 设 备 具 备 自 动 扫 频 功 能 。• 多 站 处 理 同 时 接 收 各 基 准 站 数 据 , 处 理 时 进 行 加 权 或 组 合 处 理 对 接 收 机 运 算 能 力 要 求 很 高 要 求 流 动 站 通 信 设 备 具 备 多 通 道 接 收 能 力 。

5.6 RTK 存 在 的 问 题 综 述• 工 作 距 离 短 ( 一 般 小 于10km)。• 定 位 精 度 随 距 离 的 增 加 而 显著 降 低 。• 单 参 考 站 模 式 可 靠 性 差 。• 大 的 区 域 内 作 业 需 要 多 次 设站 或 设 立 多 个 参 考 站 。• 受 电 离 层 等 影 响 较 大 。

RTK 常 见 问 题 应 用 问 题• 可 用 性• 可 靠 性• 适 用 性• 定 位 延 迟

RTK 作 业 常 见 问 题 可 用 性 问 题 : 初 始 化 时 间 过 长 ( 浮 动 解 到 固 定 解 的时 间 ), 主 要 受 卫 星 数 、 电 离 层 、 多 路 径 等 综 合 影响 。• 空 间 可 用 性 距 离 : 一 般 作 业 不 要 超 过 15km, 南 方 地 区 更 短 。 环 境 : 实 验 表 明 , 距 离 地 面 1-2 米 的 地 方 多 路 径 影 响 最为 明 显 。• 时 间 可 用 性 时 间 段 : 避 免 中 午 及 下 午 电 离 层 高 峰 时 期 的 作 业 卫 星 数 :6 颗 卫 星 作 业 较 为 可 靠 。

RTK 作 业 中 常 见 问 题 可 靠 性 问 题 : 固 定 解 的 可 靠 程 度• 精 度 指 标 : 各 种 仪 器 给 出 的 RTK 精 度 实 际 上 是 固定 整 周 后 的 定 位 精 度 ( 内 符 合 ), 不 是 与 已 知 结 果的 比 较 ( 外 符 合 )。• 整 周 固 定 : 某 些 情 况 下 固 定 的 整 周 数 是 错 误 的 , 内符 合 很 好 , 但 外 符 合 很 差 。• 可 靠 性 指 标 : 某 些 仪 器 给 出 了 95%、99% 或 者99。999% 的 精 度 指 标 , 实 际 是 可 靠 性 指 标 , 即达 到 正 常 精 度 的 概 率 。

RTK 作 业 中 常 见 问 题 适 用 性 问 题 : 遮 挡 条 件 下 的 作 业• 原 因 : 遮 挡 造 成 信 号 失 锁 , 导 致 重 新 搜 索 整 周• 解 决 方 法 : 单 历 元 整 周 模 糊 度 的 固 定 , 但 目 前 的 算 法 可 靠 性 不 高 ,是 目 前 的 研 究 热 点 。 运 动 中 初 始 化 :OTF, 必 须 具 备 双 频 , 采 样 率 提 高 会有 一 定 的 好 处 。 定 位 延 迟• 原 因 : 信 号 传 输 、RTK 计 算• 解 决 方 法 : 控 制 运 动 速 度 , 正 反 向 运 动 。

内 容1、 、 概 述2、GPS相 位 观 测 值3、GPS定 位 的 误 差 源4、GPS差 分 技 术5、 、 常 规 RTK 技 术6、 、 网 络 RTK 技 术7、 、 总 结

6、 网 络 RTK 技 术 6.1 概 述 6.2 基 本 原 理 6.3 技 术 类 型 及 软 件 6.4 技 术 比 较 6.5 技 术 关 键

6.1 概 述 概 念• 依 靠 网 络 将 基 准 站 连 接 到 计 算 中 心 , 联 合 若 干基 准 站 数 据 解 算 或 消 除 电 离 层 、 对 流 层 等 影响 , 以 提 高 RTK 定 位 可 靠 性 和 精 度 的 方 法 。 特 点• 从 RTK 的 点 到 基 准 站 覆 盖 的 区 域 ( 面 )• 资 源 共 享 : 基 准 站 共 享 , 数 据 共 享 ……• 用 户 界 面 : 统 一 , 可 控

网 络 RTK 系 统 简 图

6.2 基 本 原 理 目 标 : 减 少 或 消 除 误 差 的 影 响• 电 离 层 延 迟 : 建 立 区 域 电 离 层 模 型 或 通 过 误 差内 插 进 行 消 除 。• 对 流 层 延 迟 : 模 型 消 除 或 误 差 内 插 消 除 。• 卫 星 轨 道 和 钟 差 : 可 利 用 精 密 星 历 消 除 。

基 本 原 理 - 常 规 RTK 与 网 络 RTK 的 比 较精 度 比 较

基 本 原 理 - 常 规 RTK 与 网 络 RTK 的 比 较可 靠 性 和 可 用 性 的 比 较

6.3 技 术 类 型 及 代 表 软 件 VRS• 软 件 :GPS:GPS-Network(Trimble) FKP• 软 件 :GNSmart:GNSmart(Leica) CBI• 软 件 :Power:Power-NET( 武 汉 大 学 GPS中 心 )

VRS Trimble TerrSat 推 出 代 表 软 件 :GPS-NETWORK(Trimble)• 计 算 软 件 , 基 准 站 软 件 采 用 TRS• 支 持 VRS 和 FKP• 具 备 Web 服 务• 支 持 GSM、GPRS 通 信 方 式 。 技 术 特 点• 需 要 双 向 通 信 。• 用 户 无 须 添 置 其 它 设 备 。

VRS 模 型‣ VRS 修 正 区 分 误 差 和 观 测 值 修 正 , 分 别 估 计 电 离 层 、 对 流 层 模 型 , 可 能与 不 同 类 型 仪 器 流 动 站 所 使 用 的 模 型 相 冲 突‣ 对 于 连 续 RTK, 流 动 站 不 知 道 真 实 参 考 站 的 坐 标 , 只 知 道 “ 移 动 的 ” 虚 拟参 考 站 的 坐 标 。‣ 一 般 情 况 下 , 流 动 站 需 要 通 过 NMEA 格 式 把 它 的 点 位 信 息 发 送 给 中 央 控制 站 , 如 果 需 要 借 助 于 GSM 等 类 型 的 双 向 数 据 通 讯 装 置 , 流 动 站 个 数受 限 制‣ 误 差 估 计 基 于 基 线 解 。‣ 采 用 距 离 最 近 的 三 个 参 考 站 采 集 的 同 步 观 测 值 进 行 差 分 处 理 , 每 个 三角 形 产 生 一 组 区 域 改 正 参 数‣ 模 型 建 立 在 单 站 的 基 础 上 , 结 合 所 在 三 角 形 的 信 息 在 流 动 站 点 位 上 生成 一 个 “ 虚 拟 参 考 站 ”‣ VRS 数 据 能 够 通 过 正 常 的 RTCM 信 息 发 送 给 流 动 站

VRS 算 法 流 程 建 立 区 域 电 离 层 模 型 和 对 流 层 模 型 采 用 精 密 星 历 和 精 密 钟 差 内 插 用 户 位 置 的 综 合 误 差 改 正 。 将 改 正 值 发 送 给 用 户 ( 虚 拟 观 测 值 ) 用 户 进 行 常 规 RTK 定 位 。

VRS-GPSNETORK数 据 流 程

VRS 工 作 流 程 用 户 与 中 心 处 理 软 件 建立 连 接 回 报 流 动 站 单 点 定 位 值 中 心 给 出 综 合 后 的 差 分改 正 数 用 户 定 位VRSRTCMNMEA

GPS-Network系 统 简 图Trimble5700Trimble5700Trimble5700Trimble5700Trimble5700Analog modemISDN ModemModemISDNInternetCom ServerLocal PCwith GPSBaseLANNetwork RouterLANLANGPSNet ServerGPServer Web I/FInternetMobile PhoneUser's PCAccess ServerMobile Phone

6.3 技 术 类 型 及 代 表 软 件 VRS• 软 件 :GPS:GPS-Network(Trimble) FKP• 软 件 :GNSmart:GNSmart(Leica) CBI• 软 件 :Power:Power-NET( 武 汉 大 学 GPS中 心 )

FKP Geo ++ 开 发 代 表 软 件 是 GNSMart (Leica) 软 件 包• 基 准 站 管 理 软 件 GNREF• FKP 计 算 软 件 GNNET• FKP 网 络 服 务 软 件 GNWeb• FKP 解 码 器 SmartGate• 支 持 VRS 和 FKP 技 术 特 点• 单 向 通 信• 用 户 需 要 专 用 解 码 器

FKP 模 型‣ 整 体 的 网 络 解‣ 采 用 所 有 测 站 采 集 的 同 步 观 测 值 进 行 非 差 处 理‣ 动 态 模 型 : 卡 尔 曼 滤 波‣ 整 个 网 络 产 生 一 组 称 为 FKP 的 区 域 改 正 参 数‣ FKP 能 够 通 过 扩 展 的 RTCM 信 息 发 送 给 流 动 站‣ 传 输 的 FKP 参 数 不 会 与 流 动 站 所 使 用 的 误 差 模 型 相 冲 突‣ 对 于 连 续 RTK, 真 实 参 考 站 的 坐 标 是 固 定 的 且 为 流 动 站 所 已 知‣ 流 动 站 系 统 必 须 知 道 如 何 利 用 FKP 参 数 生 成 相 应 的 改 正 数‣ 仅 需 单 向 数 据 通 讯 , 流 动 站 个 数 不 受 限 制

FKP 算 法 流 程 建 立 区 域 电 离 层 模 型 和 对 流 层 模 型 采 用 精 密 星 历 和 精 密 钟 差 将 区 域 模 型 传 输 给 用 户 单 元 的 解 码 器 。 用 户 单 元 解 码 器 根 据 用 户 位 置 进 行 误 差 内插 , 并 形 成 RTCM 改 正 数 据 送 交 用 户 接 收机 。 用 户 进 行 常 规 RTK 定 位 。

FKP-GNSMART数 据 流 程基 准 站 原 始 数 据参 考 站 软 件GNREFFKP 计 算GNNETSmartGateSmartGateSmartGate……用 户 接 收 机用 户 接 收 机用 户 接 收 机

FKP 工 作 流 程 中 心 给 出 区 域 改 正 模 型 参 数 解 码 器 根 据 接 收 机 位 置 计 算 误 差 改 正 值 解 码 器 以 RTCM 格 式 发 送 改 正 值 给 接 收 机 接 收 机 以 常 规 RTK 工 作 。

GNSMART 系 统 简 图GNNETReference Stations(GNREF)Rover Station(GNREF)GSM/Radio broadcastReference Stations(GNREF)50-70km50-70kmGNSMART 网 络

FKP-GNSMart参 考 站 软 件GSM/ISDNModemRTCMRemote Control GNNET GNRIMGPS-SensorControlGNCOMBBS-SoftwareGNREFGNWEBRadioBroadcastTCP/IPInternetGSM Modem ISDN InternetRTCMRTCMUserRINEXRTCMArchivUserDataRTCMRINEXRTCMRINEXUserRTCMRINEXRTCMRINEX

FKP-GNNET软 件 界 面

FKP 和 VRS 对 通 信 的 要 求

6.3 技 术 类 型 及 代 表 软 件 VRS• 软 件 :GPS:GPS-Network(Trimble) FKP• 软 件 :GNSmart:GNSmart(Leica) CBI• 软 件 :Power:Power-NET( 武 汉 大 学 GPS中 心 )

CBI 武 汉 大 学 GPS 中 心 开 发 Power-NET 软 件 包• 基 准 站 管 理 软 件 Power-RS• 系 统 管 理 和 播 发 软 件 Power-MS• 计 算 软 件 Power-NET• 网 络 服 务 软 件 Power-Web• 用 户 计 算 软 件 Power-US• 支 持 CBI 和 PPP 技 术 特 点• 单 向 通 信• 用 户 需 要 专 用 解 码 器

武 汉 大 学 CBI 模 型‣ 综 合 误 差 (Combined(Bias):):准 确 地 说 , 它 是 指 GPS/GLONASS 观 测 值 中 除 观 测 噪 声 之 外 的 所有 系 统 误 差 的 综 合 影 响 。 之 所 以 要 将 观 测 噪 声 剔 除 , 是 因 为 观测 噪 声 完 全 是 随 机 的 , 无 法 精 确 估 算 和 消 除 。 但 由 于 观 测 噪 声一 般 情 况 下 都 很 小 , 且 具 有 随 机 性 , 所 以 在 数 据 处 理 的 时 候 一般 不 去 顾 及 。 这 样 , 为 了 便 于 叙 述 和 表 示 , 有 时 也 可 以 笼 统 地说 综 合 误 差 是 指 GPS/GLONASS 观 测 值 中 所 有 误 差 的 综 合 影 响 。‣ 网 络 RTK 综 合 误 差 内 插 法 (CBI(CBI): ):卫 星 定 位 的 多 种 系 统 误 差 在 一 定 区 域 内 具 有 较 强 的 相 关 性 , 在此 基 础 上 , 用 一 定 的 算 法 通 过 多 个 基 准 站 的 已 知 误 差 直 接 内 插该 区 域 内 任 何 一 处 流 动 站 的 综 合 误 差 , 称 之 为 网 络 RTK 综 合 误差 内 插 法 , 或 简 称 为 综 合 误 差 内 插 法 。

武 汉 大 学 CBI 模 型

CBI 算 法 流 程 计 算 基 线 的 综 合 误 差 ( 含 电 离 层 、 对 流 层 等误 差 ) 基 准 站 长 距 离 单 历 元 整 周 模 糊 度 搜 索 根 据 流 动 站 位 置 内 插 出 该 点 的 综 合 误 差 流 动 站 利 用 误 差 改 正 双 差 观 测 值 。

CBI-PowerRS数 据 流 程基 准 站 原 始 数 据参 考 站 软 件PowerRS网 络 计 算Power-NET数 据 发 播Power-MSNMEA-0183PowerUS用 户 计 算用 户 接 收 机

CBI 工 作 流 程 中 心 根 据 基 准 站 数 据 计 算 综 合 误 差 中 心 通 过 广 播 方 式 发 播 误 差 改 正 数 据 PowerUS 根 据 改 正 数 据 和 接 收 机 原 始 数 据 计算 接 收 机 位 置

CBI-PowerPower-NET系 统PowerRSPowerRSPowerRSPower-WebPower-NETPower-MSPowerUSPowerUSPowerUS……用 户 接 收 机用 户 接 收 机用 户 接 收 机

6.4 几 种 网 络 RTK 技 术 之 算 法 比 较算 法VRSFKPCBI电 离 层使 用 改 正 模 型 ,改 正 效 果 受 外 界影 响 大 。使 用 改 正 模 型 ,改 正 效 果 受 外 界影 响 大 。不 使 用 模 型 , 由 已 知误 差 直 接 改 正 , 改 正效 果 受 外 界 影 响 小 。对 流 层使 用 改 正 模 型 ,改 正 效 果 受 外 界影 响 大 。使 用 改 正 模 型 ,改 正 效 果 受 外 界影 响 大 。不 使 用 模 型 , 由 已 知误 差 直 接 改 正 , 改 正效 果 受 外 界 影 响 小 。轨 道 误 差与 其 它 误 差不 能 消 除 或 借 助其 他 方 法不 能 消 除 或 借 助其 他 方 法直 接 消 除 或 削 弱 , 无需 借 助 其 他 方 法基 准 站全 部 使 用取 距 离 流 动 站 最近 的 三 个根 据 流 动 站 和 基 准 站的 位 置 灵 活 选 择

6.5 网 络 RTK 的 关 键 技 术‣ 利 用 多 个 基 准 站 观 测 数 据 对 电 离 层 、 对 流 层 、 观 测 误差 的 误 差 模 型 进 行 优 化‣ 利 用 多 个 基 准 站 已 知 坐 标 和 观 测 数 据 快 速 确 定 某 类 整周 模 糊 度 值 , 然 后 进 一 步 确 定 误 差 模 型 的 精 细 结 构‣ 利 用 上 述 误 差 模 型 和 整 周 模 糊 度 寻 找 确 定 流 动 站 的 误差 修 正 的 算 法‣ 利 用 修 正 后 的 流 动 站 观 测 值 和 基 准 站 坐 标 固 定 流 动 站整 周 模 糊 度‣ 快 速 、 实 时 性 解 算 技 术 , 结 果 精 度 和 可 靠 性 的 检 验

内 容1、GPS系 统2、GPS相 位 观 测 值3、GPS定 位 的 误 差 源4、GPS差 分 技 术5、 、 常 规 RTK 技 术6、 、 网 络 RTK 技 术7、 、 总 结

7、 、 总 结 差 分 的 目 的 是 提 高 观 测 精 度 , 本 质 是 减 弱 各 种 噪 声 的影 响 。 网 络 RTK 是 一 种 新 的 差 分 方 法 , 利 用 多 个 基 准 站 的 数据 , 采 用 模 型 方 法 或 消 除 方 法 大 大 减 弱 了 噪 声 的 影响 。 基 准 站 网 络 使 得 可 靠 性 提 高 , 系 统 改 正 数 据 来 源 于 多个 基 准 站 , 定 位 可 靠 性 高 于 单 站 形 式 的 常 规 RTK。 作 用 距 离 增 长 , 网 络 RTK 基 准 站 间 距 离 可 达 到 70-100km, 最 新 发 展 的 技 术 可 以 达 到 100-200km(Power-NET), 覆 盖 范 围 远 大 于 常 规 RTK。 网 络 RTK 的 可 用 性 高 于 常 规 RTK, 且 受 电 离 层 活 动 的影 响 较 小 。

第 一 讲 结 束