GPS测量基础知识

-RTK原理…RTK简介高精度的GPS测量必需接受载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地供应测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流淌站流淌站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟流淌站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下干脆开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜寻求解在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流淌站可随时给出厘米级定位结果RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流淌站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现RTK定位技术可广泛用于:但长波通信设备比较困难昂贵，在中国只有级个别台站具有这一功能由于数据传输速率和数据辨别率呈正比，因此长波的低辨别不太适宜于差分GPS的数据通信中波（MF）传输的主要缺点是频道较挤,易受干扰，而且传播速率仍偏低短波（HF和VHF）易受天气和电离层干扰和影响，而且在主控站旁边常会出现盲区，收不到信号它的优点是通信设备低廉，集成度高3）差分GPS的远程数据通信差分GPS的远程数据通信往往接受星基的差分数据播发站，例如可以接受HF和卫星通讯卫星通信中的Inmarsat系统和公共电话网相联，也和Internet网相联，具有64kb/s的传输速率，是一种比较志向的远程数据通信网络，但价格比较昂贵

3、伪卫星方案

一、概述传统的差分GPS的组成包括一个位置已知的固定监测站，它实时接收GPS信号并确定出测距误差，把此误差作为改正数供应应本地用户，用户则用此改正自己测得的伪距，使计算出的位置精度更高这样，接受适当的设备就能使监测站旁边几百公里范围内的定位精度提高到5m除了获得较好的定位精度外，通过对GPS信号的监测改正,差分GPS还能提高导航的牢靠性，甚至当GPS卫星显示不健康信号时仍能工作由于基准站在卫星测距信号无法校正时，能马上通知用户,所以改进了系统的完整性但是，不管差分GPS如何提高导航精度、牢靠性和完善性，也不能克服掉由于卫星星座几何图形不佳而造成的缺陷18颗卫星的配置方案使这一缺陷更加突出21+3颗卫星的配置方案弥补了这一缺陷现在正在运行着的26颗卫星，已完全消退了这一缺陷现在正在运行着的26颗卫星，已完全消退了这一缺陷但是，将来BLOCK1型试验卫星寿命终结，GPS卫星保持着21+3的配置方案运行一旦有一颗卫星发生故障，或者由于某种缘由接收不到GPS信号，几何配置不当的缺陷仍会存在为了保证GPS在一些特定地区为特殊用途时的精确性和牢靠性，SC-104分会提出了伪卫星的概念，即在该地区建立类似于GPS卫星的固定基准站，行使GPS和基准站的功能从本质上看，伪卫星仅仅是差分GPS应用的特殊方案因此伪卫星电文格式也和其他差分GPS的电文格式一样下图为伪卫星系统配置图监测站接收全部可见的GPS卫星信号和伪卫星信号，并把它们和已知监测站位置及伪卫星天线位置进行比较监测站限制伪卫星放射并供应差分GPS电文因为伪卫星是精确地在GPS L1频率

1575.42MHZ上放射信号的，所以GPS用户设备可以同时接收GPS信号和伪卫星信号概括起来，利用伪卫星系统具有下列优点:1,依据国际和美国无线电管理的规定，15591610MHZ频段用于航空导〜航及天线电卫星导航GPS接受了其中一个频率

1575.42MHZ,而伪卫星仍选用这一频率所以，GPS用户设备可同时接收GPS信号和伪卫星信号，不必再设置另一套接收差分GPS基准站信号的设备2,由于伪卫星信号处相在GPS时间中是被精确确定的，所以用户设备能从伪卫星获得一个附加的伪距测量，这样就增大了卫星覆盖面积，改善了导航几何配置结果，即使某个卫星工作不健康或其他缘由造成卫星几何配置不良，仍能获得优良的导航性能

3.差分GPS伪卫星体制比传统体制所需费用要少，因为它不须要单独的接收设备天线前置放大器等部分是及GPS接收机相同的对用户来说，没有增加更多的负担

4.在伪卫星作用范围内，伪卫星能供应许多比利用传统差分GPS或一般GPS更多的导航功能特殊是通过伪卫星能削减或限制高度误差，能为飞机（包括直升飞机）供应非精密进场实力

5.利用GPS的非精密进场并不限定在直线段，飞机不是跟踪一个窄波信号波束对于从任何航线进场的飞机都能把位置计算并显示出来，这对于困难地形特殊有用，因为它允许在任何须要的时候都可以变更进场航线，而不影响地面设备的安装和运行

二、方案设计设计伪卫星信号结构的一个重要问题是对GPS卫星信号的干扰问题假如用户在距伪卫星50km处，伪卫星信号及GPS卫星信号一样强,那麽当用户靠近伪卫星只有50m时，则此伪卫星信号将比GPS卫星信号强60dB因此伪卫星的信号结构设计要解决这种远-近效应问题即在最大范o围内能供应足够强的伪卫星信号，又能在距伪卫星很近时不干扰GPS卫星信号这样要求设计的接收机动态范围至少在60dB以上要达到60dB的动态范围，有三种方法可供选择

1.CDMA一码分多址技术利用不同C/A码进行码间相互关，只能分别25dB,因此还剩下35dB必需考虑接受其他手段假如要应用伪随机码来分别这60dB,则必需使此码率比C/A码率提高若干倍，以降低伪卫星信号对可接收值的噪声电平.依据不同的假定和试验,此码率必需达到25-50MHZ,并具有类似的带宽.但是,现在GPS的带宽是30MHZ,所以现有的GPS接收机是无法达到的解决这个问题的另一条途径是提高码元的码率.但这在硬件上也存在着困难.这种技术将削减GPS信号的兼容性，而且显著增加接收机的成本.因此,利用一种新码来解决远-近效应似乎是不现实的

2.FDMA一频率偏值技术使伪卫星信号偏离标称值

1575.42MHZ约1020MHZ这样可隔〜离正常码的25dB下表示出了干扰衰减及频率分别的关系这一技术是具有吸引力的，因为在要求的隔离上有可能产生60dB因此，伪卫星用这一方案将忽视掉对接收机的影响因为伪卫星和GPS卫星信号是通过不同通道进入接收机的，必需细致限制两通道间的相对时延，以避开组合误差于是在接收机中改善滤波器和内部校准技术，增加了接收机的成本干扰电平及频率偏移的关系信号描述dB/lkHz备注其他卫星C/A码参考电平0伪卫星C/A码（偏离基本码隔离-2310MHz）3dB,取决于假定条件-58伪卫星C/A码（偏离3dB,取决于假定条件-

60.515MHz）3dB,取决于假定条件-63伪卫星C/A码（偏离3dB,取决于假定条件参考卫星C/A码20MHz

3.TDMA一时分信号结构在TDMA工作方式下，运用一种低占空率的短脉冲来传送伪卫星信号，这样，只在很短的时间内干扰GPS信号这一方案伪卫星和用户设备造价都很低，具有巨大的吸引力运用TDMA的主要缺点是，伪卫星信号能够对不按伪卫星环境下设计的接收机进行脉冲干扰例如，对于建议接受的10%占空率的TDM信号格式而言，由非参及接收机所担当的最大信噪比损耗约为ldBo这就必需要求设计出适用于伪卫星环境下的新型接收机综合上述，TDMA是伪卫星工作的优选方案伪卫星每秒发送11个

90.91US的脉冲这样伪卫星干扰GPS信号不超过10%的时间，此时使接收机的GPS平均信号功率损耗不大于ldB全部伪卫星都在相同时间内放o射脉冲，脉冲对脉冲，数据bit对数据bit的位置都是每200Mms复一次，并且及GPS时间同步脉冲位置随机化的目的是讲每ms全部11个位置匀整分布应用了非Gold编码,不同的伪卫星接受不同码加以识别

4、DGPS系统方案

1、DGPS精确定位系统

1.1GPS和DGPS全球定位系统（GPS）自从建立以来，已得到特殊广泛的应用但美国出于其战略上的考虑，对外应用上，始终接受SA政策，运用户的GPS接收机精度都在100米左右，这样的精度不能满足实际应用须要，也给运用者带来极大不便为了实际定位需求，接受差分技术（DGPS）可以改善因各种误差所影响的定位精度，使定位精度提高到10米甚至1米差分定位是在一个地理位置精确已知点建立差分基准台，实时计算出差分误差信息，并将此信息传送给用户，用户即可得到高精度定位这项技术由基准站、移动站和数据链组成，由数据链来传送差分所须要的伪距修正值传统的数据链运用的是超高频（VHF）和甚高频（UHF）的无线电通讯设备，传输距离及电台放射天线高度、功率及移动站天线和基准站天线间的阻挡有关在城区电台只能覆盖25公里范围特殊有限另外，随着通讯事业的发展，VHF和UHF频段资源愈来愈惊惶，相互干扰现象也特殊严峻每一组DGPS系统都要建一个基准站，无疑对无线电资源造成了很大的奢侈找寻一条合适的数据链来传送差分信息特殊必要接受先进的〃无线电数据系统〃向DGPS用户广播差分修正数据是一种特殊志向的方案

1、位置差分原理任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统安装在基准站上的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轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标及基准站的已知坐标是不一样的，存在误差基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正最终得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的状况位置差分法适用于用户及基准站间距离在100km以内的状况这是一种最简洁的差分方法

2、伪距差分原理伪距差分是目前用途最广的一种技术几乎全部的商用差分GPS接收机均接受这种技术国际海事无线电委员会举荐的RTCM SC-104也接受了这种技术在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离及含有误差的测量值加以比较利用一个a-8滤波器将此差值滤波并求出其偏差然后将全部卫星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终，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度及位置差分相像，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消退的用户和基准站之间的距离对精度有确定

3、载波相位差分原理测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度IO io-8但为了牢靠地求解出相位模糊度，要求静止〜观测一两个小时或更长时间这样就限制了在工程作业中的应用于是探求快速测量的方法应运而生例如，接受整周模糊度快速靠近技术FARA使基线观测时间缩短到5分钟，接受准动态stop andgo,来回重复设站re-occupation和动态kinematic来提高GPS作业效率这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避开出现事后检查不合格造成的返工现象差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中随之而来的是更加精密的测量技术一载波相位差分技术载波相位差分技术又称为RTK技术real timekinematic,是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的它能实时供应观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度

1.各种限制测量传统的大地测量、工程限制测量接受三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，而且精度分布不匀整，且在外业不知精度如何，接受常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法,在外业测设过程中不能实时知道定位精度，假如测设完成后，回到内业处理后发觉精度不合要求，还必需返测，而接受RTK来进行限制测量，能够实时知道定位精度，假如点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率假如把RTK用于公路限制测量、电子线路限制测量、水利工程限制测量、大地测量、则不仅可以大大削减人力强度、节约费用，而且大大提高工作效率，测一个限制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成

2.地形测图过去测地形图时一般首先要在测区建立图根限制点，然后在图根限制点上架上全站仪或经纬仪协作小平板测图，现在发展到外业用全站仪和电子手簿协作地物编码，利用大比例尺测图软件来进行测图，甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等，都要求在测站上测四周的地形地貌等碎部点，这些碎部点都及测站通视，而且一般要求至少2-3人操作，须要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测,现在接受RTK时，仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒种，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地及伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站用户站接收GPS卫星的载波相位及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及伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术定性影响

3、载波相位差分原理测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度ICT io,但为了牢靠地求解出相位模糊度，要求静止观〜测一两个小时或更长时间这样就限制了在工程作业中的应用于是探求快速测量的方法应运而生例如，接受整周模糊度快速靠近技术FARA使基线观测时间缩短到5分钟，接受准动态stop andgo,来回重复设站re-occupation和动态kinematic来提高GPS作业效率这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避开出现事后检查不合格造成的返工现象差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中随之而来的是更加精密的测量技术一载波相位差分技术载波相位差分技术又称为RTK技术real timekinematic,是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的它能实时供应观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度及伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站用户站接收GPS卫星的载波相位及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及伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术、载波相位差分原理3测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度106-108o但为了牢靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间这样就限制了在工程作业中的应用于是探求快速测量的方法应运而生例如，接受整周模糊度快速靠近技术FARA使基线观测时间缩短到5分钟，接受准动态stop andgo,来回重复设站re-occupation和动态kinematic来提高GPS作业效率这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避开出现事后检查不合格造成的返工现象差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中随之而来的是更加精密的测量技术一载波相位差分技术载波相位差分技术又称为RTK技术real timekinematic,是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的它能实时供应观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度及伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站用户站接收GPS卫星的载波相位及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及伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术形图，这样用RTK仅需一人操作，不要求点间通视，大大提高了工作效率，接受RTK协作电子手簿可以测设各种地形图，如一般测图、铁路途路带状地形图的测设，公路管线地形图的测设，协作测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等等

3.放样工程放样是测量一个应用分支，它要求通过确定方法接受确定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来，过去接受常规的放样方法许多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往须要来回移动目标，而且要2-3人操作，同时在放样过程中还要求点间通视状况良好，在生产应用上效率不是很高，有时放样中遇到困难的状况会借助于许多方法才能放样，假如接受RTK技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中，背着GPS接收机，它会提示你走到要放样点的位置，既快速又便利，由于GPS是通过坐标来干脆放样的，而且精度很高也很匀整，因而在外业放样中效率会大大提高，且只需一个人操作差分GPS定位技术及发展差分技术很早就被人们所应用它事实上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差其目的在于消退公共项，包括公共误差和公共参数在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用GPS是一种高精度卫星定位导航系统在试验期间，它能给出高精度的定位结果这时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度，但由于用户要求还不迫切，所以这一技术发展较慢随着GPS技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能它运用一台GPS基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术，就可以运用户测量时消去公共的误差源一电离层和对流层效应特殊提出的是，当GPS工作卫星升空时，美国政府实行了SA政策使卫星的轨道参数增加了很大的误差，致使一些对定位精度要求稍高的用户得不到满足因此，现在发展差分GPS技术就显得越来越重要GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星放射时间等观测量来实现的，同时还必需知道用户钟差因此，要获得地面点的三维坐标，必需对4颗卫星进行测量在这确定位过程中，存在着三部分误差一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；其次部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等利用差分技术，第一部分误差完全可以消退,其次部分误差大部分可以消退，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三部分误差则无法消退除此以外，美国政府实施了SA政策，其结果使卫星钟差和星历误差显著增加，使原来的实时定位精度从15m降至100m在这种状况下，利用差分技术能消退这一部分误差，更显示出差分GPS的优越性差分GPS定位原理依据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即位置差分伪距差分相位差分这3类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同

1、概述差分GPS定位系统是由一个基准站和多个用户台组成基准站及用户台之间的联系，即由基准站计算出的改正数发送到用户台的手段是靠数据链完成的数据链由调制解调器和电台组成调制解调器MODEM是将改正数进行编码和调制，然后输入到电台上放射出去用户台将其接收下来，并将数据解调后，送入GPS接收机进行改正电台是将调制后的数据变成强大的电磁波辐射出去，能在作用范围内供应足够的信号强度，运用户台能牢靠地接收放射频率和辐射功率的选择是数据链的重要问题，它视作用距离而定为了更有效地选择放射频率，在下表中列出已经建立的各种无线电定位和导航系统的主要参数各种无线电导航定位系统放射频率及作用距离系统名称接受的频率覆盖范围Decca70-90KHZ,110-130KHZ2000kmRadiobeacon190-415KHZ,510-535KHZ1000kmLoran-c100KHZ2000kmRacal Pulse8100KHZ1500kmGeoloc1600-2300KHZ500kmToran1800-2000KHZ500kmRagdist-N/RAC3300KHZ,1650KHZ400kmRaydist-DRS3300KHZ,1650KHZ400kmRacal Hyperfix1600/3400KHZ100kmARGO

1646.7KHZ100kmHydrotrac1720KHZ100kmMaxian430MHZ320kmSyledis430MHZ120kmLorac1600-2500KHZ460kmRacal Microfix5520/5560MHZ180kmMini-Ranger5570/5480MHZ180kmTrisponder9480/9325MHZ80kmArtemis9200/9300MHZ30km从上表中，我们可以将通信设备分为两大类第一类为干脆波传输,其中包括甚高频VHF、超高频UHF、基准站的天线必需建立在高塔之上，以视距干脆通视的方式以25W的功率进行传输，一般作用距离可达到20100km这种设备的天线简洁、简洁架〜设，适用于流淌作业，适用于海港、河道等测量应用其次类为地波传输其中包括低频LF和中频MF o这种信号能沿地球表面传播，能绕过建筑物和山丘，使作用距离达到10002000km〜为了提高辐射频率，天线设计为高桅杆或铁塔，适合固定基准站应用一般一旦建立就长期应用，适用于远距离导航和定位

2、差分GPS的数据通信类型若按传输差分信息的覆盖范围来区分，大体可以分为三类,即近程（小于100km）、中程（30800km）和远程（大于800km）；按播发站的〜位置来分，可分为空（星）基和陆基1）差分GPS的近程数据通信临时性或短期性的差分GPS作业，其近程数据传输的播发站一般干脆附加在GPS接收机上，往往接受UHF无线通信传输或有线通信传输UHF的频率在300MHZ3GHZ,波长为10cm1m,故一般为分米波其穿透性〜〜强，直线传播性强，但易受障碍物、地形和地球曲率的影响长期性的差分GPS服务，如在国外已实际建成的LADGPS系统，往往接受城市的调频（FM）电台，它的频率一般在80108MHZ,利用调频〜信号基带中的副载波进行数据传输，即不影响调频台的主频道的正常播音，又充分利用了调频信号基带中的副载波资源因此利用FM来传输差分GPS信号的技术受到极大重视，已起先在发达国家中接受2）差分GPS的中程数据通信差分GPS的中程数据通信可以接受LF、MF和VHF无线通信长波（LF）通信主要靠地面波传输，受大气影响小而受地形影响较大。