1、丁继成哈尔滨工程大学 自动化学院卫星导航系统差分定位Harbin Engineering UniversityRoving receiver(unknownposition)Base receiver(knownposition)Radio link for real-time DGPS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n近程(小于100km)n临时性、短期性的差分定位作业l优点：穿透性强、直线传播性强l缺点：易受障碍物、地形和地球曲率的n中程(30800km)l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
2、位l中波(MF):频道拥挤，易受干扰，而且传播速率仍偏低l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 陆基RTCM-SC104数据格式电文类型状 态内 容1234567891011121314151617181920212258596063固定固定固定弃置试用固定固定试用固定备用备用备用试用备用备用固定试用试用试用试用试用试用备用差分GPS改正数差分GPS改正数基准站参数测地工作卫星星座健康状态零帧信标历书伪卫星历书部分卫星差分改正数P码差分改正数（全部卫星）C/A码，L1，
3、L2改正数伪卫星站参数地面发射机参数测地辅助电文电离层、对流层电文专用电文星历历书未改正的载波相位观测量未改正的伪距观测量RTK载波相位改正数RTK伪距改正数未定义专利信息其他用途信息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
4、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 根据覆盖范围 局域差分 广域差分位置差分基准站x+30,y+60 x+5,y-3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+63-5,+3电台流动站位置差分10m10m基准站（位置已知）接收机(位置未知)接收机估计位置接收机估计位置真实位置（已知）000XXXYYYZZZ()X Y Z，000(XYZ，）坐标改正信息坐标改正信息()uuuX Y Z，uuuuuu
5、XXXYYYZZZ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)(bbbZYX，)(iiiZYX，222)()()(bibibiiZZYYXXR伪距的改正数 iiiR基准站的接收机测量的伪距 i经过差分修正的伪距 ()()iiiuu用户至卫星的伪距)(ui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
6、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()()jjikikiNtt 111()()()jjjikikikiNtNtt 周跳：接收机内部载波整周计数丢失。初始载波相位整周模糊度连续载波相位测量1()jkit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进行实时处理，能实时给出厘米级
7、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n接收机间的一次差n接收机和卫星间的二次差n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：()jjjjjjjjaaasaaionatropaaRc ddddddMv()jjjjjjjjbbbsbbionbtropbbRc ddddddMv()()()()()()()jjjababjjjjjjabababaionbionjjjjj
8、jatropbtropababRRc dddddddddMdMvv 一次差一次差不能消除不能消除 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：()()()()kkkkkkkabababababRRc dddMdMvv()()()jkjkabababjjkkjjkkjjkkababababababRRRRdMdMdMdMvvvv 接收机与卫星间二次差（双差）()()()()jjjjjjjabababababRRc dddMdMvv求求差差消除钟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之间的三次差局域差分GPS系统单基准站局域差分局域差
9、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：n优点：差分精度高、可靠性高、差分范围增大n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
10、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精确定位跟踪观测GPS卫星的伪距相位测得的伪距、相位和电离层延时的结果传输到中心站计算三项误差的改正数包括卫星星历误差、卫星钟差、电离层延时将这些误差改正用数据通信链传输到用户站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“
11、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
12、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（
13、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/NDGPSICAO:GNSSNAVSTAR GPSGLONASSGALILEOCOMPASS增强系统Satellite Based Augmentation System(SBAS)Ground Based Augmentation System(GBAS)Aircraft Based Augmentation System(ABAS)RAIMReceiver AutonomousIntegrity MonitoringAutonomiczne monitorowanie integralnoci o
14、dbiornikaAAIMAircraft AutonomousIntegrity MonitoringAutonomiczne monitorowanie integralnoci statku powietrznego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（
15、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时间百分比。SBASEuropean 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 Au
16、gmentation System(MGAS)GPS/GLONASS SatellitesGEO1234Master StationSBAS messageIntegrity&Ranging+CorrectionsReference StationsAugmented NavigationSBASGround Earth Station+Accuracy+Availability+Continuity+IntegrityDifferentialCorrectionsUse/Dont Use MessageGPS-Like SignalGEOGEO卫星GEO卫星编号PRN SlotAssignm
17、ent1 to 37GPS/GPS Reserved PRN38 to 61GLONASS Slot Number plus 3762 to 119Future GNSS120 to 138GEO/SBAS PRN139 to 210Future GNSS/GEO/SBAS/PseudolitesPRNG2 Delay(Chips)Initial G2 Setting(Octal)First 10 SBAS Chips(Octal)Geostationary Satellite PRN Allocations 12014511060671INMARSAT 3F2 AOR-E1211751241
18、0536INMARSAT 4F21225202671510INMARSAT 3F4 AOR-W1232102321545LM RPS-1,RPS-2(note 3)12423716170160Artemis 12523510760701 LM RPS-1,RPS-2(note 3)12688617640013INMARSAT 3F5 IND-W12765707171060INSATNAV 12863415320245 INSATNAV12976212500527MTSAT-1R(or MTSAT-2,note 2)13035503411436 INMARSAT 4F11311012055112
19、26INMARSAT 3F1 IOR13217605201257Unallocated 13360317310046 INMARSAT 4F313413007061071INMARSAT 3F3 POR13535912160561LM RPS-113659507401037INMARSAT Reserved 1376810070770MTSAT-2(or MTSAT-1R,note 2)13838604501327LM RPS-2SBAS GEO卫星编号GBASPseudo-Satellites(Pseudolites)Local Area Augmentation System(LAAS)G
20、round-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 orbital elements used by satellitesGPS UserPse
21、udolite at a known pointSatellite signal direct to userSatellite signal to PseudoliteGPS/GLONASS satellite Pseudolite makes the following:1.Measures the satellite signals2.Creates a precisely timed GPS-like signal3.Then transmits it over a data link to userGalileo SatelliteSBAS Geo SatelliteGLONASS
22、SatelliteGPSSatelliteSBAS Geo(Ranging Signal Only)ReferenceStationsGRAS MasterStationTerrestrialCommunication LinksVDBVDBVDBVDBVDBVDBGRASSimilar to SBAS and GBASGRAS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/RNAVNPANon Precision
23、 ApproachesAPVApproaches with Vertical GuidancePAPrecision ApproachesConventionalsystemsRNAVLateral guidanceRNAVLateral and vertical guidanceConventionalsystemsRNAVLateral and vertical guidanceAPV.BaroV NAVAPV I&IIVOR/DMENDBLocalizerABASDME/DMEABASDME/DMEBaroVNAVSBASGNSS GalileoILSMLSPARGBAS增强系统的航空应用
