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1、差分GPS定位方法与应用研究航空兵器2001年第3期论文与报告?5差分GPS定位方法与应用研究黄晓瑞崔平远崔祜涛(喑尔滨工业大学航天工程与力学系啥尔滨,150001)摘要:对GPS误差来源及实现差分GPS(DGPS)的方法进行了论述,井对不同的差分方法进行了比较.从误差估算的数字对比中可以看出,差分GPS处理技术能够有效提高GPS的定位精度,因而对其进行深入研究是非常必要的.最后介绍了差分GPS在车辆导航中酌应用关键词:差分GPS误差估计车辆导肮l引言全球定位系统fGlobalP,usitioningSystem)自诞生之日起就倍受人关注,近几年来.GPS在我国各行业中的应用迅速发展,并已从少
2、数科研单位和军用部门迅速打展到各个民用领域尤其在导航和定位领域显示出其霸土地位.cPs导航定位的基本原理是根据测量学中测距交会确定点位的方法,利用CPs接收机同时接收三个上卫星传送的信息,交会出地面点的三维坐标这样在信号的发送和接收过程中就不可避免地出现误差,这些误差根据其性质可分为系统误差和偶然误差,其中系统误差无论从其太小还是对定位结果的影响都比偶然误差大得多.然而,系统误差有一定的规律可循,尤其是对于那些用户接收机和基准站共同的误差,有可能通过差分方式被消除掉或明显减少,因而对差分技术进行深A研究是十分必要的.本文从GPS的误差来源,差分方法等几个方面进行了论述和对比并对差分GPS车辆导
3、航进行了,分析介绍.2GPS误差来源及对定位的影响GPS定位是利用一组卫星的伪距,星历,卫星发射时间和用户钟差等观测量来实现的,在这一定位过程中主要存在三大部分误差:一是多台接收机公有的误差,如llJ星钟差,星历误差,电离层误差,对流层误差以及美国政府实施的选择可用性收稿日期:200529(SA)政策等;二是不能由用户测量或校正模型来计算的传播延迟误差;三是各用户接收机固有的误差,如内部噪声,通道延迟,多路径效应等:另外其他外部条件的影响也会引起一些误差,如地球潮汐,负荷潮及相对论效应等.从理论上说,采用差分技术可完全消除第一部分误差,大部分消除第二部分误差(这要规基准站至用户之间间隔的距离而
4、定),而无法消踪第三部分的误差.表l列出了有SA时利用C/A码接收机的GPS定位和不同间隔时差分CPs定位的误差估计值.从对比中可看出,经过差分技术以后,导航定位精度从原来的100in左右降低到10in以内,精度大大提高.用户与基准站之问的距离对定位精度有决定性的影响.间隔距离越大,精度越低,其中最大的误差源是电离层延迟.3实现差分GPS的方法3.1差分GPs原理差分技术很早就被人们所应用,它实际上是在一个测站上对两个目标的观测量,两个测站对一个目标的观测量或在一个测站上对一个目标的两次观测量之间进行求差.其目的是消除公共误差,提高定位精度.利用差分GPS技术消除基准站和用户之问共有误差的原理
5、很简单,就是分别用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号,其中一个测站的位置坐标是已知的,安放在该已知点(基准点)的GPB信号接收机,叫做基准接收机,基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进?6?航空兵器2001年第3期袭1GIPS定位误差和差分GPS定位的误差估计GPS定位误差估4种不同间隔距离时的差分cPs定位误差估计主要误差磊计(有sA时)30kmI50b3bOkml星星历误差/ml000105l020!星时钟误差,m5.0000.00000电离层延迟误差/m6.4275.3709.0埘流层延迟误差,m0.72.02.02O20接收机噪声误差,m242+42424
6、24多路径误差,m3030303030接收机通道闸偏移/m060.6060606导舡精度USER(R惜)100.435587.495注:假设接收机的信噪比为38dBHz.行比较,便可获得GPS定位数据的改正值.如果及接收机,并修正其所测得的实时位置,就可消除用时将GPS改正值发送给若干台其视卫星用户的动态户位置测量中与之相关的误差,如图l所示.雷1差分动态定位原理框图3.2差分GPS的工作方式对GPS用户接收机进行差分修正主要有两种实现方式:在测量过程中修正(如伪距数据差分)和计算结果修正(如位置数据差分).两种方式主要不同在于那些必须在基准站和用户之间传输的特定数据.因此根据差分GPS基准站
7、发送的信息内容的不同,将差分GPS定位具体分为以下3种.3.2.1位置差分位置差分是一种最简单的差分方法,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.由于存在着各种误差.解算出的坐标和基准站已知坐标是不一样的,二者之差就是坐标改正数.基准站利用数据链将此改正数发出去,由用户站接收,并对其解算的用户站坐标进行改正,改正后的用户坐标已消去了基准站与用户站的公共误差,提高j,定位的精度.这种差分方式的优点是计算方法简单,只需要在解算的坐标中加改正数即可,适用于一切GPS接收机.缺点是必须严格保持基准站与用户台观测同一组卫星.这在近距离可以做到,但距离较长时就很难保
8、证.故该方法只适用于100km以内.3.2.2伪距差分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需要计算出它至可见卫星的距离,并将此距离与含有误差的测量值加以比较.利用一个n一口滤波器将差值滤波并求出其偏差,然后将所有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,最后利用改正后的伪距求解出本身的位置,就可消去公共误差,提高定位精度.这种差分的优点如下:基准站能提供所有卫星的改正数,用户观测任意4颗卫星就可完成定位.同时能提供p和改正数,这可满足RTCMSC一104标准.另外,计算的伪距改正数是在WGS一84黄晓瑞等:差分GPS
9、定位方法与应用研究坐标系中进行的,即得到的是直接改正数,不用先变换为当地坐标,因而能达到很高的精度.缺点是差分精度随基准站到用户的距离增加而降低.因为随着用户到基准站距离的增加又出现系统误差,这种误差用任何差分法都不能消除32.3载波相位差分载波相位差分技术又称为RTK(RealTmleKinematic).是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的,基准站通过数据链实时将其载波观渊量及站坐标信息一同传送给用户站,用户接收来自GPS卫星和基准站的载波相位,并组成相位差分观测值进行实时处理,能给出厘米级的定位结果.实现载波相位差分GPs的方法分为两类:修正法和差分法前者是基准站将载波相位修正量发
10、送给用户,以改正其载波相位,然后求解坐标.为准R1技术.后者将基准站采集的载波相位直接发送给用户台进行求差解算坐标,为真正的RTK技术由于载波相位差分拄术测量精度高,时同短,能快速高精度地建立工程控制网和实际工程作业,所以在快速静态测量,动态测量,准动态测量中得到广泛的应用.但这一技术仍存在着局限性,实现起来有较大的难度.例如,基准站信号的传输延迟给实时定位带来误差,高波特率的数据传输的可靠性及电台干扰更是影响工作的关键问题.解决这个问题的方法是发展成局部区域差分和广域差分定位技术.4差分GPS在车辆导航中的应用4.1系统构成随着社会各方面的迅速发展,交通的合理调度和管制成为促进社会生产和人类
11、生活的关键环节.例如公共汽车和出租车的合理调度,公安警车的指挥,运钞车的监控等.如果在车辆上配置导航设备,就能有效地避免交通拥挤,减少对道路通行能力的要求,有助于平衡交通管制,从而节省巨大的经费开支差分GPS技术在车辆导航方面日益显示出其潜在的能力2中所示的就是用于差分车辆导航的示意图在每辆车上装有通用的GI接收机和通信电台调度中心设在基准站位置,坐标精确已知,也安装嗣崮圉雠uT用户【括|匠图2车辆差分定位指挥调度示意国有通用的GPS接收机,通信电台和数据处理器,大屏幕显示器等T作时,各车辆上的CPS接收机将其位置,时间和车辆编号等信息一同发送到调度中心,调度中心用差分改正数将其修正,计算出精
12、确坐标,发送给车辆,同时显示在大屏幕上便于集中调度.该差分车辆导航系统主要由以下三个子系统组成.4.Jl车载导航兰元车载导航单兀利用CPS的经纬度信息来确定车辆的地理位置,并经过一个RS一232接口加到车内导航计算机上.通常在车辆上还装有一个简单的速度传感器或航向传感器,给系统提供推算导航输入.如图3所示.这些都可以作为单独的导航系统,或与GPS结合,成为组合导航的一部分.双向通信链路是图3率载导航单元航空兵器2001年第3期由一个uHF收发信机和一个分组交换数据控制器组成,它被用来在车辆和基准站之间传送数据,车载单元接收基准站的信息并把车辆的当前位置发送到基准站.4.1.2基准站基准站的主要
13、功能是对车辆进行跟踪和调度.它主要由带天线的GPS接收机,数据处理器,数据发射机以及接口设备组成,如图4所示在设置接收机天线和数据链天线时,应考虑周围建筑物和地形的影响,尽量做到不被遮挡.l鲁l4基准站装在基准站的CPs接收机接收GPs卫星广播的数据.计算差分修正值并将数据格式化后再送到基准站计算机里,经过UHF通信数据链发送给远距离的GPs单元,同州,基准站也接收来自车辆的位置报告信息,并把车辆的位置标绘在一个大的彩色监视器上.基准站能跟踪许多车辆,因而每一辆车都分配一个唯一的l1)码.CPs修正值以用户指定的速率广播,而且这个速率是可变的,并会影响总体精度.4.I.3双向通信链路这部分是由
14、一个UHF收发信机,一个分组控制器,一个RS一232接口和一个天线组成.其中套设备安装在基准站,一套设备安装在车载单元.主要用来在车辆和基准站之间传送数据,车载单元接收基准站的目标信息,并把车辆的位置信息发送到基准站.4.2原理描述由GPS定位原理可知,基准站r至GPS卫星J的伪距为P:Pc(dr一dr)+dp+8PJi+(】)式中:P:,P分别为第颗卫星至基准站的真实距离和伪距观测值;c光速;dr接收机时钟相对于CPs时间系统的偏差;dr:第j颗GPS卫星时钟相对于GPS时间系统的偏差;dp:第,颗GPS卫星的星历误差(含sA政策影响);印,印一分别为电离层和对流层时延所引起的距离偏差.根据
15、基准站的已知坐标和GPs卫星星历,可以精确计算真实距离p,而伪距是用基准站接收机测得的,可求出伪距改正值为Ap=p一p=一c(dr一dr)一dP一6P一aP(2)在基准接收机进行伪距测量的同时,接收机也对第颗cPs卫星进行伪距测量,动态接收机所溯得的伪距为Pt=p+c(drkdr)+dPt+6Pk+6Pk(3)如果基准站将所测得的伪距改正值p适时地发送给动态用户,并改正动态接收机所测得的伪距,即P+P:P+c(drkdr)+(dPdP)+(占P一6户1)+(8Pk一占P)(4)当动态用户远离基准站在10130km以内时,有idp,8一,一.故(4)式变为P+却=p+c(drkdr)=(YJx)
16、+(一)+(z,一Zk)+d(5)如果基准t动态接收机各观测了-相同的4颗GPs卫星,则可列出4个方程式,它们共有X,Ad,4个未知数.解算这4个方程式,可求出动态用户误差.5结论差分技术是利用基准站接收机和用户接收机共视卫星座,接收卫星信号的相关性来达到消除或削减定位误差的目的,有着广泛的应用前景.本文从差分GPs车辆导航的角度出发,分析了差分GPs的工作原理和方式.可以预见,在交通管理中,如果载有GPs导航设备的车辆很多,则实现差分系统的成本是很低的,因而这在实际中是现实可行的参考文献l王广运,郭秉义,李洪涛.差分GPS定位技术与应用.电子工业出版社,19962镣绍拴,张华簿等.GPS测量原理及应用武汉测绘科技大学出版社.19983周满贵.论差分GPS(r3es)方法地矿测绘,1999.(3)4韩明锋,丁万庆,谢世杰.GPS误差概论.测绘通报,”t999,(5)
