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1、卫星导航系统差分定位,Harbin Engineering University,基本结构,差分定位系统基本结构,RTCM-SC104,差分数据通信类型,按传输差分信息的覆盖范围近程(小于100km)临时性、短期性的差分定位作业优点：穿透性强、直线传播性强缺点：易受障碍物、地形和地球曲率的中程(30800km)长波(LF):靠地面波传输、受大气影响小而受地形影响较大 不太适宜于差分定位中波(MF):频道拥挤，易受干扰，而且传播速率仍偏低短波(VHF):易受天气和电离层干扰和影响、常出现盲区、通信 设备造价低廉且集成度高 远程(大于800km):采用星基的差分数据播发站按播发站的位置空（星）基陆
2、基,RTCM-SC104数据格式,RTCM-SC 104的电文类型:21类共63种电文格式,Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee No.104,差分定位的基本原理 利用设置在坐标已知的点（基准站）上测定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。,利用基准站测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，流动站改正其观测值或定位结果。,基本原理,差分系统的分类,根据时效性实时差分事后差分根据差分改正数类型位置差分距离差分根据观测值的类型伪距差分载波相位差分
3、根据覆盖范围局域差分广域差分,位置差分,实际坐标=x+0,y+0 校正=x-5,y+3,差分改正=x+(30-5)and y+(60+3)实际坐标=x+25,y+63,Differential Correction 2,位置差分,接收机(位置未知),坐标改正信息,优点:计算方法简单，适用范围较广；缺点:实现位置差分原理的先决条件是必须保证基准站和用户站观测同一组卫星的情况；适用范围：用户与基准站间距离在100km以内。,伪距差分,伪距的改正数,基准站的接收机测量的伪距,经过差分修正的伪距,用户至卫星的伪距,基准站接收机计算出基站至可见卫星的距离，并将此距离与含有误差的测量值加以比较,卫星到基准
4、站的真实距离,优点：可以达到较高的精度；可以采用外推的方法继续进行高精度定位；允许用户接收任意4颗星的信号进行定位。缺点：用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。随着用户到基准站距离的增加又出现了新的系统误差，且无法用差分方法消除。,载波相位伪距测量,周跳：接收机内部载波整周计数丢失。,连续载波相位测量,原理,思想 载波相位差分技术建立在实时处理两个测站的载波相位测量基础上。能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。基本原理 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基站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收导航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
5、进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。实现方法修正法：基准站向用户站发送载波相位修正量（准RTK技术）。差分法：基准站将采集的载波相位观测值发送给用户台进行求差解算（RTK技术）。,(RTK:Real Time Kinematic,载波相位差分,求差法接收机间的一次差接收机和卫星间的二次差接收机、卫星和观测历元时刻之间的三次差,载波相位差分,基准站 A与用户台B到第j 颗卫星的伪距：,一次差,不能消除,接收机间一次差（单差）,载波相位差分,A、B两站与卫星j和k的一次差：,接收机与卫星间二次差（双差）,求差,消除钟差,载波相位差分,三次差不会明显提高差分定位结果,接收机、卫星和观测历元时刻
6、之间的三次差,局域差分GPS系统,单基准站局域差分,局域差分GPS系统,结构：基准站（一个）、数据通讯链和用户数学模型：利用差分改正数的计算方法，提供距离改正和距离改正的变率。特点：优点：结构、模型简单缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低,单基准站局域差分,局域差分GPS系统,多基准站局域差分,局域差分GPS系统,结 构：基准站（多个）、数据通讯链、用户。数学模型：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,多基准站局域差分,广域差分GPS系统,结构基准站（多个）、数据通讯链和用户。数学模型 与普通差
7、分不相同，普通差分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。,广域差分GPS系统,工作流程,用户用接收到的误差改正观测量，得到GPS精确定位,基准站对卫星进行连续观测，并将观测值实时地传输至控制中心。控制中心根据这些基准站的观测值，建立区域内的GNSS电离层、对流层和卫星星历误差改正模型，并实时地将各基准站的观测值减去其误差改正，形成“无误差”的观测值，再结合移动站的观测值，在移动站附近（通常约为几米到几十米）形成一个虚拟的参考站，计算出虚拟
8、参考站的相位差分改正，并实时发布。用户站利用接收到的相位差分改正信息和自身的相位观测值，组成双差相位观测值并快速确定整周模糊度参数和位置信息，完成实时定位。,由若干个连续运行的GNSS基准站、控制中心和用户站（移动站）构成。,网络RTK虚拟参考站(VRS),由于其差分改正是经过多个基准站观测资料有效组合求出的，可以消除电离层、对流层和卫星星历等误差，即使用户站远离基准站，也能很快地确定自己的整周模糊度，实现厘米级的实时快速定位。VRS RTK技术大大扩展了普通RTK的作业范围，用户站不需要在每次测量时都单独架设基准站，使得测量作业成本得到降低，而且在基准站信号覆盖范围内，定位精度保持稳定，可靠
9、性得到进一步提高。,网络RTK虚拟参考站(VRS),网络RTK虚拟参考站(VRS),VRS RTK定位结果,单基准站RTK定位结果,MDGPS由美国海岸警卫队（USCG）于20世纪80年代末开发，它利用无线电指向标（信标）和DGPS技术结合的方式实现服务区内优于10m（95%）的定位精度，并能够提供一定的完好性，满足美国海岸和内陆水域的导航需求。1997年，MDGPS的信标数量由原来的54个计划扩展至136个以覆盖全美，这项计划被称为NDGPS。NDGPS差分信息传送的频率（285325kHz）和格式（RTCM SC-104）支持国际标准，目前世界上已有50多个国家建立了类似的系统,MDGPS
10、/NDGPS,ICAO:GNSS,NAVSTAR GPS,GLONASS,GALILEO,COMPASS,增强系统,航空导航性能需求,精度（Accuracy）在无故障条件下，利用导航系统确定的用户位置与真实位置的偏离程度，分为水平定位精度和垂直定位精度。完好性（Integrity）完好性是导航系统提供的信息正确性的置信度，包括系统在无法用于某些预定操作时向用户及时告警的能力。连续性（Continuity）连续性是指无中断情况下，导航系统在整个飞行阶段满足定位精度和完好性需求的能力。可用性（Availability）可用性指系统在具备完整运行能力的情况下，满足用户对定位精度、完好性和连续性要求的
11、时间百分比。,SBAS,European Geostationary Navigation Overlay Service(EGNOS)Wide Area Augmentation System(WAAS)MTSAT Satellite Augmentation Service(MSAS)GPS And Geo-Augmentation Navigation(GAGAN)Satellite Navigation Augmentation Service(SNAS)Military GPS Augmentation System(MGAS),GPS/GLONASS Satellites,GEO,
12、1,2,3,4,Master Station,SBAS message,Integrity&Ranging+Corrections,Reference Stations,Augmented Navigation,SBAS,Ground Earth Station,+Accuracy+Availability+Continuity,+Integrity,DifferentialCorrections,Use/Dont Use Message,GPS-Like Signal,GEO,GEO卫星,GEO卫星编号,SBAS GEO卫星编号,GBAS,Pseudo-Satellites(Pseudoli
13、tes),Local Area Augmentation System(LAAS),Ground-Based Regional Augmentation System(GRAS),地面设备则包括参考接收机、数据处理单元和VHF数据链。设置在地面的多个参考站通过局域差分定位原理实现GNSS导航性能的增强,伪卫星工作原理,A Pseudolite works as a complete“ground-based satellite.Pseudolite position is described in geographical terms whileGPS/GLONASS are in the o
14、rbital elements used by satellites,GPS User,Pseudolite at a known point,Satellite signal direct to user,Satellite signal to Pseudolite,GPS/GLONASS satellite,Pseudolite makes the following:Measures the satellite signalsCreates a precisely timed GPS-like signalThen transmits it over a data link to use
15、r,VDB,VDB,VDB,VDB,VDB,GRAS,Similar to SBAS and GBAS,GRAS采用了与SBAS类似的分布式网络，利用多个参考站监视GPS/GLONASS系统运行；各参考站对SBAS信息进行检测并转换成GBAS格式的校正信息和完好性数据，通过VHF通信链路广播(VDB)。,飞行阶段,能见度判决高度,PBN:RNP/RNAV,NPANon Precision Approaches,APVApproaches with Vertical Guidance,PAPrecision Approaches,Conventionalsystems,RNAVLateral guidance,RNAVLateral and vertical guidance,Conventionalsystems,RNAVLateral and vertical guidance,APV.BaroV NAV,APV I&II,VOR/DMENDBLocalizer,ABASDME/DME,ABASDME/DMEBaroVNAV,SBASGNSS Galileo,ILSMLSPAR,GBAS,增强系统的航空应用,
