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1、动态差分技术方案1.GPS 观测及观测误差GPS 卫星发送的信号，包含有三种类型的信号，即载波、测距码（伪随机码）和数据码。GPS系统使用电磁波的L波段, 发射两个频率的载波信号，即L载波和L载波。L载波频率1211575 .42 MHz，波长0.190 米；L 载波频率1227 .60 MHz ，波长0.244 米。2在L 载波上调制有 C/A（Coarse/Acquisition ）码、（Precise）1码和数据码，在 L 载波上调制有 P 码和数据码。其中 C/A 码2码率1 .023 MHz，码长 1023 bit，码周期ims，码元宽度0.98us，等效距离为293.1 米0 P码
2、码率10.23MHz，码长2.35 1014bit，码周期约 267天，码元宽度0.098 us，等效距离29.3米。在 GPS 现代化后，将在 L 载波上增加 C/A 码，并增设一2民用频率L5载波，其频率 1176.45 MHz ， 波长 0.255 米0在其上调 制有民用码0GPS 测量含有多种误差，根据误差的来源，可分为三类与GPS卫星有关的误差与信号传播有关的误差 与接收机有关的误差根据误差的性质，这些误差又可分为系统误差和随机误差两类0系统性的误差主要包括：卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟、接收机钟差和接收机位置误差0随机误差主要包括多路径效应误差和接收机噪声。1.1
3、卫星轨道误差卫星轨道误差也称卫星星历误差，系指卫星位置计算的 误差。估计与处理卫星的轨道误差一般比较困难，其主要原 因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过 地面监测站，又难以充分可靠地测定这些作用力，并掌握它 们的作用规律。目前，用户通过广播星历，所得到的卫星位 置信息，其相应的误差约为5m40m。通过国际GPS服务组 织（ International GPS Service ， IGS ）等提供的事后精 密星历，算得的卫星位置，其误差可小于 0.05m。卫星的轨道误差是当前利用 GPS 定位的重要误差来源之 一，也是一个研究热点。下表列出了当基线测量允许误差为 1cm 时，基线
4、长度与允许轨道误差的关系：表 1.1GPS 差分基线长度与允许轨道误差的关系（周忠谟， 1997 )r r /r 一s-r r /r . . r 、t. - z . / r 、/.、t基线长度（km）基线相对误差（10-6）容许轨道误差（m）1.010250.0T0.01.0rxy25.0c r-100.0H rrr r0.1r r i2.5C CL1000.00.010.25在 GPS 定位过程中，卫星轨道误差可以通过轨道改进的 方法来削弱，但在实际应用中多采用同步观测值求差方法。 该方法系利用在两个或多个观测站上，对同一卫星的同步观 测值求差，以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位 置
5、误差，对不同观测站同步观测量的影响具有系统性质，特 别是径向误差相关性很强，所以通过上述求差的方法可以明 显地减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其有效 性甚为明显。1.2 卫星钟差GPS 卫星钟差是指 GPS 卫星钟时标与 GPS 系统时间的差 值。由于卫星的位置是时间的函数，所以 GPS 的观测量均以 精密测时为依据。而与卫星位置相应的时间信息，是通过卫 星信号的编码信息传送给用户的。在 GPS 定位中，无论是码 相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟与 GPS 系统时间保 持严格同步。实际上，尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟， 但它们与理想的 GPS 时之间，仍存在着难以避免的偏差
6、或漂 移。这种偏差的总量约在1ms以内，由此引起的等效距离误 差约可达 300km 。对于卫星钟的这种偏差，一般可通过对卫星钟运行状态 的连续监测而精确地确定。经过钟差模型改正后的残差，可 保持在20ns之间，由此引起的等效距离偏差将不会超过6m。 常说的卫星钟差均指经过模型改正后的残差，在相对定位 中，它可以通过观测量差分的方法消除。1.3 电离层延迟电离层是高度在 501000km 之间的大气层。由于太阳 的强烈辐射，电离层中的中性气体被分离成大量的正离子和 自由电子，使其具有弥散特性。 GPS 卫星信号和其他电磁信 号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影 响，使信号的传播路
7、径发生变化。由此引起电磁波信号传播 路径的变化为(周忠谟，1997)：对码相位观测：NI 沁 40.28gf2(1 1 )对载波相位观测：NI 沁一40.28pf 2(1 2 )其中，N为信号传播路径上的电子总量。可见，电离层对 信号传播路径影响的大小，主要取决于电子总量 N 和信号的 频率 f 。对于GPS卫星信号来说，在夜间当卫星处于天顶方向时， 电离层折射对信号传播路径的影响将小于5m；而在日间正午 前后，当卫星接近地平线时，其影响可能大于150m。为了减 弱电离层的影响，在 GPS 定位中通常采取以下措施：1.3.1 利用双频观测由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频 率的电
8、磁波信号进行观测，便可能确定其影响的大小，以便 对观测量加以修正。由式（1.1.6），对于两个频率的伪距观测：N1.3)I 沁 40.28-g1f2N rI 沁 40.28 一g2f22g 2g1可得：1.4)由于与频率相关的误差只有电离层延迟，如不顾及随机误 差，可得伪距观测值：P = P +1、1.5)f10g 1.f2 =P + I 0g 1f 22丿两式作差：5P = P f1_pg1f21 221.6)解得g12=（P 厂 P f2）-1.7）按照式（1.1.12）即可计算双频伪距的电离层延迟。这个 方法对于普通用户而言，由于不能获取 P 码，所以并不能使 用，但在GPS现代化后，即
9、可使用双频C/A码算得此电离层 延迟。使用双频载波相位观测也可计算载波相位的电离层延 迟，但是要引入相位模糊度的解算。实践表明，利用双频模型进行修正，其消除电离层影响的 有效性，将不低于 95%。1.3.2 利用电离层模型加以修正电离层延迟也可以通过改正模型修正，来减弱电离层的影 响。常用的模型有 Klobuchar 模型（Klobuchar , 1978 ）, Bent 模型（ Lewellyn 等， 1973）， IRI 模型（ Bilitza ， 1986）， FAIM 模型（Anderson， 1987 ）等。其中 Klobuchar 模型最为 常用，本文也采用 Klobuchar 模
10、型进行电离层修正。一般认 为Klobuchar模型的改正效果为50%60% ,理想情况下能够 达到75% ，也就是说，当电离层对距离观测值的影响为 20m 时，修正后残差仍可达 5m。1.3.3 利用同步观测值求差这一方法是利用两台或多台接收机，对同一组卫星的同步 观测值求差，以减弱电离层折射的影响。尤其当观测站间的 距离较近时（例如小于 20km ），由于电离层延迟对不同观测 站的相关性很强，所以通过不同观测站对相同卫星的同步观 测值求差，便可显著地减弱电离层折射的影响，其残差将不 会超过10-6（周忠谟，1997）。对于单频 GPS 接收机的用户， 该方法的重要意义尤为明显。1.4 对流层
11、延迟对流层是高度 40km 以下的大气层。对流层虽有少量带电 离子，但对于 15GHz 以下的射电频率基本呈中性，没有弥散效 应。GPS电磁波在对流层中传播只会非色散延迟，即对流层 对GPS信号的影响与频率无关。对流层对GPS信号的影响大 约在2m20m之间，在天顶方向较小，在水平方向较大。目前对流层改正的模型很多，常用的有 Hopfield 模型 （Hopfield , 1969 ）, Saastamoinen 模型（Saastamoinen , 1973）等等，由于参考文献中有详细的讨论，本文不再赘述。与电离层的影响相类似，当两观测站相距不太远时（例如 小于20km）,由于信号通过对流层的
12、路径相近，对流层的物 理特性相似，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显 地减弱对流层折射的影响。该方法在精密相对定位中，应用 甚为广泛。不过随着同步观测站之间距离的增大，地区大气 状况的相关性很快减弱，这一方法的有效性也将随之降低。根据经验，当距离大于 100km 时，对流层折射对 GPS 定位精 度的影响，将成为决定性的因素之一。1.5 接收机钟差GPS 接收机一般设有较高精度的石英钟，在跟踪卫星后， 其误差一般在 1ms 之内，等效误差 300km 。处理接收机钟差 的办法主要是引入钟差参数，作为未知数一并解算。需要说 明的是，GPS接收机在采样时虽然已经知道接收机钟差，但 一般都不做
13、实时改正，所以一般 GPS 接收机的原始输出数据 的时标中均含有接收机钟差，这在 GPS 动态定位中必须加以 注意。在 GPS/INS 的集成系统中，时间同步是一个关键问题。在 高速运行的载体中，运动速度可以达到500m/s ,这时接收机 钟差可能产生 0.5m 的同步误差，所以在数据处理时必须加 以改正。1.6 接收机位置误差由于GPS定位中经常要使用近似坐标迭代的方法，接收机 近似坐标的误差会对观测方程的线性化产生影响。同时，在 GPS 差分定位中，基准站的坐标被视为已知值，其坐标的误 差必然会对流动站的解算结果产生影响。下面列出在基线绝 对误差小于 1cm 时，基线长度与基准站坐标误差的
14、关系：表 1.2 GPS 差分基线长度与基准站坐标容许误差的关系基线长度（k基线相对误差（1容许基站坐标m）0-6)误差（m）10.0r.016.7100.0呻 c c cc0.1CC F1.7c r r1000.00.010.172.单点定位原理GPS 的定位原理，简单来说，是利用几何与物理的一些基 本原理，利用空间分布的卫星以及卫星与地面点距离交会出 地面点的方法，如下图：图 2.1 GPS 定位原理图中蓝色点表示卫星，绿色点表示地面接收机位置，若假 定卫星的位置为已知，通过一定的方法我们又准确测定出地 面点 A 至卫星间的距离，那么 A 点一定位于以卫星为中心、 以所测得距离为半径的圆球
15、上，若我们能同时测得点 A 至另 两颗卫星的距离，则该点一定处在三圆球相交的两个点上， 根据数学知识，我们很容易判断确定其中一个点是我们所需 要的点，从测量的角度看，则相似于测距后方交会，在以上 的假设下，即已知卫星位置又已同时测定到三颗卫星的距 离，即可进行定位，但由于 GPS 卫星是分布在 20000 多公里 高空的运动载体，只能是在同一时间测定三个距离才可定 位，要实现同步必须具有统一的时间基准，从解析几何角度 出发，GPS定位包括确定一个点的三维坐标与实现同步四个 未知参数，因此必须通过测定至少思科卫星的距离才可定 位。距离测量主要有两种方法：1. 测量 GPS 卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传 播时间，即伪距测量2. 测量具有载波多普勒频移的 GPS 卫星载波信号与接收 机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量下面将对两种方法的定位原理进行介绍。2.1 伪距绝对定位原理伪距观测量是通过测量卫星信号从卫星发
