1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　第1章緒論3</b></p><p>　　第2章差分GPS定位原理5</p><p

2、>　　2．1差分GPS定位原理概述5</p><p>　　2．2局域差分GPS6</p><p>　　2.2.1偽距差分的計算模式6</p><p>　　2.2.2載波相位差分技術的及計算模式：7</p><p>　　2.2.3載波相位平滑單頻道偽距差分技術的計算模式8</p><p>　　2.2.4載

3、波相位平滑雙頻道偽距差分技術的計算模式8</p><p>　　2.3廣域差分GPS13</p><p>　　2.3.1廣域差分GPS的基本思想13</p><p>　　2.3.2廣域差分GPS的工作流程13</p><p>　　2.3.3廣域差分GPS系統(tǒng)的基本構成14</p><p>　　2.3.4WADG

4、PS的技術特點15</p><p>　　2.4數據鏈與數據格式15</p><p>　　2.4.1電臺選擇16</p><p>　　2.4.2調制解調器16</p><p>　　2.4.3NMEA-0183數據格式16</p><p>　　2.4.4RTCM-104數據格式17</p><

5、;p>　　第3章南方NGK-500型實時動態(tài)GPS測量系統(tǒng)簡介23</p><p>　　3.1 系統(tǒng)簡介23</p><p>　　3.2系統(tǒng)的技術指標24</p><p>　　3.3系統(tǒng)功能概述25</p><p>　　3.3.1 靜態(tài)相對定位模式25</p><p>　　3.2.2快速靜態(tài)相對

6、定位模式26</p><p>　　3.2.3 RTD作業(yè)模式26</p><p>　　3.2.4 實時動態(tài)作業(yè)模式27</p><p>　　第4章應用實例28</p><p>　　4.1昆明引水工程公路勘測設計中的應用28</p><p>　　4.1.1測區(qū)地形條件29</p><p

7、>　　4.1.2作業(yè)要求29</p><p>　　4.1.3坐標轉換參數29</p><p>　　4.1.4質量控制30</p><p>　　4.1.5作業(yè)情況30</p><p>　　4.1.6觀測數據及成果精度31</p><p>　　4.1.7使用經驗及體會32</p><p

8、>　　4.2運用南方RTK天王星9800做控制33</p><p>　　4.2.1測區(qū)概況33</p><p>　　4.2.2運用南方GPS處理軟件處理33</p><p>　　4.2.3成果分析33</p><p>　　4.2.4應用總結35</p><p>　　4.2.5天王星9800性能及市場前景

9、35</p><p><b>　　第5章總結36</b></p><p>　　第6章結束語37</p><p><b>　　[參考文獻]38</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　GPS(Global Po

10、sition System)全球定位系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎的空中無線電導航系統(tǒng)，可為航空、航天、陸地、海洋等用戶提供三維導航、定位和定時。GPS定位系統(tǒng)由于其定位的高度靈活性和全天候性，迅速在測量中得到了普及和發(fā)展。但由于美國為了其自身的利益，對非特殊用戶進行了一些人為的設置,最常見的如SA（即Selective Availability）政策和AS（即Anti-Spoofing反電子誘騙）技術，使得我們進行測量的精度受到了很大的限制和影響

11、，在這樣一個背景下，相應的產生了各種應對技術，RTK（Real Time Kinematics）實時動態(tài)差分技術正是其中的一種，通過這種技術可以消除不少影響定位精度的誤差，從而，從本質上提高了精度。</p><p>　　國內的測繪儀器生產廠家南方測繪儀器公司出品的NGK-500型雙頻RTK系統(tǒng)正是利用此技術，使得該產品能廣泛的應用于碎部測量,公路放樣,GIS前端數據采集等等，迅速成為國內大中型測繪單位首選儀器，為

12、測繪事業(yè)的發(fā)展做出了應有的貢獻。同時這也是打破了外國獨占GPS市場，為我國在軍事、民用等產業(yè)擺脫了外國制造商的全部依賴，使得我國的測繪儀器制造進入了國產化的新時期。</p><p>　　關鍵詞：全球定位系統(tǒng)（GPS）、實時動態(tài)差分技術（RTK）、雙頻RTK系統(tǒng)NGK-500、南方測繪儀器公司。</p><p><b>　　Abstract</b></p>

13、<p>　　GPS(Global Position System)is a radio navigation system based on satellite in the sky,It can provide Three Dimensions Navigation、Position Fixing and Setting Timing for GPS receiver of Tronautics、Flying、land a

14、nd ocean.Now,because of Positioning in GPS there are higher flexibility and can work all day than traditional surveying technique,Global Position System is popularized and developed qucikly in surveying region.But the Am

15、erica do some man-made setting for special receiver to protecting themse</p><p>　　Incountry surveying instrument production company---South surveying company producted Double frequency Real Time Kinematics s

16、ystem NGK-500model uesing this technics.It can be used in None-grate surveying、road lay、GIS DATE collectoion and so on,be using as the first instrument by civel large or small surveying enterprise,and it is making the gr

17、eat contribution in the development of surveying undertaking.Simultaneously,it also breaks down the monopolistic GPSmarketplace of overseas,and gets rid of</p><p>　　Keyword:Global Position System(GPS)、Real T

18、ime Kinematics(RTK)、Double frequency Real Time Kinematics system NGK-500、south surveying company.</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　GPS(Global Position System)全球定位系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎的無線電導航系統(tǒng)，可為航空、航天

19、、陸地、海洋等用戶提供三維導航，定位和定時，GPS是美國國防部在本世紀80年代推出的，是由其60年代研制的海軍航海衛(wèi)星NNSS具有厘米機Doppler定位系統(tǒng)發(fā)展起來的。</p><p>　　GPS空間星座由24顆星組成，分布在6個等間隔的軌道面上，衛(wèi)星同時發(fā)射兩種信號叫做C/A碼（粗碼）及P碼（精碼），保證在任何地方任何時刻都能夠觀測到4顆至9顆高角度大于10度的GPS衛(wèi)星，這就是說隨時隨地都可以測得對面上或對

20、面上空的點位的三維坐標，從而保障全球、 全天候連續(xù).、實時.、動態(tài)導航.、定位。GPS定位功能多、精度高,可為各類用戶連續(xù)提供動態(tài)目標的三維位置、三維航速和時間信息。目前，單點實時定位精度為+/-15~100米，靜態(tài)相對定位為 ，測速0.1m/s，授時10納秒。同時，GPS實時定位速度快，可在1秒內完成，它的抗干擾性能好、保密性強、操作簡單。兩觀測點間不需通視，對于等級大地點節(jié)省了造標費用，此項費用可占總測量費用的

21、30%~50%。GPS還可全天候作業(yè)。</p><p>　　GPS定位系統(tǒng)由于其定位的高度靈活性和常規(guī)測量無法比擬的高精度，成為測量學科中革命性的變化。因為測量點位不象經典三角測量一樣有等級之分，不存在誤差的積累，測點可以在真正需要的地方進行，無需過渡點，點間不需要有造標，通視等問題的考慮。而且觀測點位又與重力場發(fā)生關系，避免了復雜的歸算。這種可以把平面及高程同時求出，不需要平高分開的布網方式。</p>

22、;<p>　　GPS衛(wèi)星發(fā)射的是一對相干波，作為載波載有兩類調制信號，一類為導航信號，另一類為電文信號。導航信號又分為兩種，碼率分別為1.023Mb/s和10.23Mb/s。前者信號編碼1ms重復一次，用來快速捕捉導航信號，故稱捕捉碼，按設計僅用于粗略定位，又稱粗碼（C/A碼）；后者七天重復一次，且各顆衛(wèi)星不同,碼的變化結構十分復雜，不易捕捉,但能用于精密定位,故稱精碼(P碼)。兩種碼都是人為編制的一組類似躁聲的信號碼，通

23、稱為偽隨機躁聲碼。電文信號同時以50bit/s的速度調制，電文內容包括衛(wèi)星星歷表、各項改正數和衛(wèi)星工作狀態(tài)等。</p><p>　　地面控制部分是整個系統(tǒng)的中樞。它由一個主控站、若干個跟蹤站和注入站所組成。地面控制的任務是保證整個系統(tǒng)的正常運轉，包括管理和調整整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，采集各類觀測數據，計算衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘的鐘差和漂移，各項改正數和定位信息，組成電文注入衛(wèi)星存儲器，以一組原子鐘為基礎建立和維護一個高精度

24、的時間系統(tǒng)。</p><p>　　用戶接收機部分由主機、電源和天線組成。主機的核心為微電腦、石英振蕩器，還有相應的輸入輸出設備和接口。專用軟件控制下主機進行作業(yè)衛(wèi)星選擇、數據采集、加工、處理、傳輸和存儲，對整個設備系統(tǒng)狀態(tài)進行檢查、報警和非致命故障的排除，承擔整個接收系統(tǒng)的自動管理。天線通常采用全方位型的以便采集來自各個方位任意非頁字度角的衛(wèi)星信號。由于衛(wèi)星信號較弱，在天線基座中有一個前置放大器，將信號放大后，再

25、由同軸電纜饋入主機。電源部分為主機和天線供電，可使用經整流，穩(wěn)壓處理的、也可用蓄電池。</p><p>　　從GPS的提出到1993年建成，經歷了20年，實踐證實，GPS對人類活動影響極大，應用價值極高，它從根本上解決了人類在地球上的導航和定位問題，可以滿足不同用戶的需要。特別是用于精密定位的測地型接收機的出現，給大地測量帶來了革命性的變化，成為GPS應用的主要分支。</p><p>　　

26、GPS(Global Position System)全球定位系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎的空基無線電導航系統(tǒng)，可為航空、航天、陸地、海洋等用戶提供三維導航、定位和定時，GPS定位系統(tǒng)由于其定位的高度靈活性和全天候性，迅速在測量中得到了普及和發(fā)展。但由于美國為了其自身的利益，對非特殊用戶進行了一些人為的設置,最常見的如SA（即Selective Availability）政策和AS（即Anti-Spoofing反電子誘騙）技術，使得我們進行測量的

27、精度受到了很大的限制和影響，在這樣一個背景下，相應的產生了各種應對技術，RTK（Real Time Kinematics）實時動態(tài)差分技術正是其中的一種，通過這種技術可以消除不少影響定位精度的誤差，從而，從本質上提高了精度。</p><p>　　國內的測繪儀器生產廠家南方測繪儀器公司出品的NGK-500型雙頻RTK系統(tǒng)正是利用此技術，使得該產品能廣泛的應用于碎部測量,公路放樣,GIS前端數據采集等等，迅速成為國內

28、大中型測繪單位首選儀器，為測繪事業(yè)的發(fā)展做出了應有的貢獻。同時最新出來的天王星9800其性能更是可以和國際領先的測繪儀器廠家生產的GPS媲美，本人在南方公司實習期間，就曾運用天王星9800做大范圍測區(qū)的控制，為我們的地形測量提供精度可靠的控制網。從整個測繪行業(yè)來講，在未來的測量工程中，RTD、RTK技術將越來越普及，那是我們將步入休閑測量時代。</p><p><b>　　差分GPS定位原理</b

29、></p><p>　　2．1差分GPS定位原理概述</p><p>　　根據觀測瞬間GPS衛(wèi)星在空間的位置以及接收機所得的至這些衛(wèi)星的距離，并加上大氣傳播延遲各項改正后，即可用距離交會的方法求得該瞬間接受機的位置。由于全球定位系統(tǒng)在軍事上具有重要的作用因而美國決定采用SA技術（Selective Availability）和AS技術（Anti-Spoofing）把未經美國政府特許的

30、廣大用戶的實時定位精度降低到它所允許的水平：+/-100m (2drms),以免美國的利益受到損害。然而對于許多應用領域來講（例如飛機的進場和著陸、地面車輛的導航和調度管理、資源勘探調查、災害救助等），上述精度就顯得過低，無法滿足用戶要求，從而限制了GPS的應用范圍。</p><p>　　實時差分GPS是消除美國政府限制性措施所造成的危害和負面影響，大幅度提高實時定位精度的有效手段。至1993年5月止，在全球已建

31、立了20個向社會各界開放的商業(yè)差分GPS服務系統(tǒng)。差分GPS技術的發(fā)展也很迅速。從早期僅僅能提供位置改正數，偽距改正數到目前能將各種誤差分離開來向用戶提供衛(wèi)星星歷改正，衛(wèi)星鐘改正以及電離層延遲模型和對流層延遲模型。</p><p>　　影響GPS 實時定位精度的因素很多，其中主要有：</p><p><b>　　衛(wèi)星星歷誤差，</b></p><p

32、><b>　　電離層延遲，</b></p><p><b>　　對流層延遲，</b></p><p>　　接收機鐘和衛(wèi)星鐘的誤差。</p><p>　　這些誤差從總體上講都具有較好的空間相關性，也就是說對于相距不太遠的各個測站來講上述誤差所產生的影響基本上是相同的。如果我們能在一個位置已精確確定的已知點配備GPS接收

33、機，并和用戶一起進行GPS觀測的話，就有可能求得各個觀測瞬間由于上述各種所造成的影響。如果已知點還能將這些偏差值通過無線電通訊的手段即刻播發(fā)給在附近工作的用戶的話，那么這些用戶的定位精度就能大為改善。這就是差分定位的基本原理。</p><p>　　差分實時定位技術基本上可分為兩種類型，即局域差分GPS和廣域差分GPS。局域差分技術特點是向用戶提供綜合的差分GPS改正信息—觀測值改正，而不是單個誤差源的改正。它的作

34、用范圍較小，一般為150Km之內。廣域差分的技術特點是將GPS定位中主要的誤差源分別加以計算，并分別向用戶提供這些差分信息，它作用的范圍比較大，往往在1000Km以上。以下分別給與介紹：</p><p>　　2．2局域差分GPS</p><p>　　局域差分GPS（Local Area Differential GPS，簡寫為LADGPS）實時定位技術是由基準站、數據通訊鏈和用戶站組成。它

35、提高用戶站定位精度的原理是建立在基準站和用戶站對GPS衛(wèi)星的同步同軌跟蹤基礎上的，由于這個原理，所以對基準站和用戶站之間的距離間隔的要求和對用戶站定位精度的改善都有較大限制。以下不特別說明都是指局域差分。</p><p>　　差分定位基本上可分為兩種計算或工作模式,一種是偽距差分,一種是載波相位差分,對于偽距差分,由于美國實行AS政策,一般接收機不能收到P碼,因此在L2頻道上已不能直接測到偽距。但目前新型GPS接

36、收機可以收到由P碼改變的Y碼在兩個頻道之差(Y1-Y2)，由此可間接得到L2的偽距而無需破譯P碼。此外考慮到載波相位定位精度高的特點，將載波相位來平滑偽距中的部分誤差，因此在上述兩種差分技術之外，又產生二者之間的結合技術—載波平滑碼的差分方法，下面分別敘述如下：</p><p>　　2.2.1偽距差分的計算模式</p><p>　　對于L1頻道的偽距的數學模式為</p>&l

37、t;p>　　r=D+B-b-T+n （2-1）</p><p>　　r：在L1 C/A碼頻道上測得的地面站到GPS衛(wèi)星的偽距，該值已經作對流層、相對論和多路徑改正。</p><p>　　D：地面站至GPS衛(wèi)星間距離的最或是值。</p><p>　　B：地面站GPS接收機鐘差。</p><p><b>　　b：衛(wèi)星鐘差。

38、</b></p><p><b>　　T：電離層改正。</b></p><p>　　n：測定偽距的噪聲。</p><p>　　L2頻道上的偽距的數學模式：</p><p>　　rL2=rL1+rY1-Y2 （2-2）</p><p>　　rL1：從L1頻道上測得的偽距。</

39、p><p>　　rY1-Y2：用互相關技術辨認在L1和L2頻道上的(Y1-Y2)值，導出相應的</p><p><b>　　偽距。</b></p><p>　　在系統(tǒng)的主站上，根據主站已知的高精度地心坐標和追蹤GPS衛(wèi)星的廣播星歷，推算的主站至衛(wèi)星的偽距（真）值D,D已經顧及主站接收機鐘差，衛(wèi)星鐘差，對流層和電離層改正，因此偽距改正值可表示為：&l

40、t;/p><p>　　rc=D-r （2-3） </p><p><b>　　r：偽距的量測值。</b></p><p>　　這時主站向用戶站提供的偽距差分信息為rc/r和他的變率。用戶站通過數據通訊鏈收到上述差分信息后，進行定位計算。用戶站后續(xù)的計算模式類同于GPS單點定位，只是對用戶站測到的偽距，須利用上述差分信息進行相應

41、改正。偽距差分變率的作用參見以后將提到的差分信息的“訊齡”這一節(jié)?？傊畟尉嗖罘值挠行ё饔镁嚯x實際上取決于主站和用戶站二者誤差的時空相關程度，在平原和丘陵地區(qū)，這一差分改正信號的有效覆蓋距離一般不大于100—150公里，相對主站的定位精度在5-10米。</p><p>　　2.2.2載波相位差分技術的及計算模式：</p><p>　　設在L1和L2頻道上的載波相位差的數學模型為</p&

42、gt;<p>　　Ψ=φλ=D+B-b+T-Nλ+n （2-4）</p><p>　　φ：表示載波相位測量值中已經除去整周值（Nλ）后的分數周值。</p><p>　　Ψ：表示φ對應的距離量。</p><p>　　N：載波相位整周數。</p><p>　　λ：相應頻道的波長。</p><p&g

43、t;　　利用載波相位差分進行實時GPS定位是當前研究的熱點。利用偽距進行定位相對于載波相位來說精度較差，但后者有一個最大的缺點就是要解決整周模糊度，即N,一般原理是在動態(tài)GPS定位測量開始之前的靜止狀態(tài)下，用某種技術來確定N,即使如此，當用戶站在動態(tài)下，往往出現對GPS信號的失鎖，這樣就需要重新確定N,這意味著整個動態(tài)實時載波相位差分GPS工作要重新開始，最近幾年發(fā)展的動態(tài)實時快速確定整周模糊度技術（OTF）雖然有長足進展，但即使如此，

44、在通常情況下，若用戶站周圍沒有很多天線干擾和障礙物等，且用戶站周跳很少發(fā)生，則利用這一技術的有效作用距離目前一般還很難超過30公里，但其定位精度高，可達到和超過dm量級以上，可用于飛行器進場著陸等高精度導航之用。類似于（2-3）式，載波相位的差分改正：</p><p>　　Ψc=D/λ-N-Ψ （2-5）</p><p>　　式中符號意義同（1-

45、4）。</p><p>　　主站將Ψc和N以及他們的變率傳輸給用戶站，作為用戶站定位之用，但用戶站仍須用OTF技術迅速決定自己的整周數N，以求得自己的位置。由于相位差分定位精度很高，還顧及主站的鐘差，因此RTCM（無線電技術委員會海洋組）推薦在傳送相位差分信息同時，也應考慮傳送鐘差改正及其變率的信息。</p><p>　　2.2.3載波相位平滑單頻道偽距差分技術的計算模式</p>

46、;<p>　　由于載波相位定位精度很高，因此人們一直考慮如何利用這一觀測量來平滑偽距，因此設計一種迭代形式的過濾技術，不斷改變經載波相位平滑后的偽距的權。若遇到一個周跳，可以重新設置開始新一輪的平滑過濾。下面介紹用GPS載波相位平滑單頻道偽距的過濾技術。</p><p>　　設相距觀測值Ψ和偽距差觀測值r已作電離層、對流層改正，設在GPS相鄰歷元i-1和i有相應觀測值Ψi-1，Ψi和Ri-1，Ri，

47、則用以下遞推公式推算由載波相位的相距來改善偽距的精度：</p><p>　　Ri=（k-1）（Ri-1 +△Ψi）/k + Ri/k （2-6）</p><p>　　式中： △Ψi =Ψi - Ψi-1 （2-7）</p><p>　　k是一個給定的常數，決定上述回歸過濾技

48、術的速率，其他符號意義同前。式（2-6）的實質是在偽距的計算中逐漸加大相應經相距修正的權，在實用中可以將式（2-6）式改寫為下式：</p><p>　　Ri=Pψi（k-1）（Ri-1+△Ψi）/k +PriRi/k （2-8）</p><p>　　式中Pψi，Pri可理解成Ψi ，Ri的權，可按下式給定： Pr1=1.0 Pψi=1.0- Pr1=0

49、.0 (2-9)</p><p>　　Pri=Pri-1-0.01 當0.01<= Pri<=1.00 (2-10)</p><p>　　Pψi= Pψi-1+0.01 當0.00<= Pψi <=0.99 (2-11)</p><p>　

50、　若遇到一個周跳,則上述平滑過濾過程式中式(2-8)中的PψiPri的賦值,須從式(2-9)重新啟動。以上的平滑過濾技術適用于單頻道接收到的偽距，如RL1。由式（2-8）求得了經載波相位平滑后的偽距Ri后，往后的偽距差分計算模式仍類同于式（2-3）。利用這類差分的定位精度在3-5m。</p><p>　　2.2.4載波相位平滑雙頻道偽距差分技術的計算模式</p><p>　　若用戶站的GP

51、S接收機除了能接收到L1頻道上的偽距RL1之外，還能在L2上接收互相關的Y碼值，即Y1-Y2，則由式（2-2）可求得相應于L2頻道上的偽距RL2，由下式可獲得已消除電離層影響的偽距Rt</p><p>　　Rt=（RL2 - mRL1）/（1-m） （2-12）</p><p>　　其中m=（70/66）2。式中可求得消除電離層影響的相位</

52、p><p>　　Ψt=α1ΨL1+α2ΨL2 （2-13）</p><p>　　式中α1=f12/（f21-f22）</p><p>　　α2=-f1f2/（f12-f22） （2-14）</p><p>　　式中f1和f2分別表示相

53、應于L1和L2頻道上載波的頻率。</p><p>　　因此式（2-12）和式（2-13）中的偽距Rt和相位Ψt除了噪聲、多路徑影響和可能的整周模糊度之外，是不再或很少再含有其他系統(tǒng)誤差影響。若在沒有周跳情況下，在GPS歷元i的偽距Ri的最優(yōu)估計值Ri可以由以下各式得到，</p><p>　　先求當I=0（起始歷元）時的偽距。</p><p>　　R0=Ri-∑Ij=

54、1（△Ψj） （2-15）</p><p>　　式中△Ψj的意義同式（1-7），同時式中的R和Ψ來自式（1-12）和（1-13）中已消除電離層影響的Rt和Ψt但在式（1-15），（1-16）和（1-17）中都略去了下標t。由式（1-15）中不同i所對應不同的R0，算得平均值</p><p>　　R0-=∑nI=0[Ri-∑Ij=1（

55、△Ψ-j]/n (2-16)</p><p>　　由此可得歷元i時偽距的最優(yōu)估計</p><p>　　RiΛ= R0- -∑Ij=1（△Ψ-j） （2-17）</p><p>　　用這一方法求得的偽距精度較高，在不同衛(wèi)星高度角時，都達0.5m左右。至于后續(xù)的計算偽距差分

56、的情況基本類同式（2-3）。利用這種差分定位精度可以達到1-3m。 </p><p>　　這4類差分方式的工作原理是相同的，既都是由基準站發(fā)送改正數，由用戶站接收并對其測量結果進行改正，以獲得精確的定位結果。所不同的是，發(fā)送改正數的具體具體內容不一樣，其差分精度也不同。</p><p>　　測地型接收機利用GPS衛(wèi)星載波相位進行的靜態(tài)基線測量獲得了很高的精度。但為了可靠地求出相位整周模

57、糊度，要求靜止觀測一兩個小時或更長時間。這樣就限制了在工程作業(yè)中的應用。于是探求快速測量的方法應運而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技術（FARA）使基線觀測時間縮短到5分鐘，采用準動態(tài)（Stop and Go），往返重復設站（Re-occupation）和動態(tài)（Kinematics）來提高GPS作業(yè)效率。這些技術的應用對推動精密GPS測量起了促進作用。但是，上述這些作業(yè)方式都是事后進行數據處理，不能實時提交成果和實時評定成果質量，很難

58、避免出現事后檢查不合格造成的返工現象。</p><p>　　差分GPS的出現，能夠實時給定載體的位置，精度為米級，滿足了領航，水下測量等工程的要求。位置差分、偽距差分、偽距差分相位平滑等技術已成功地應用于各種作業(yè)中。隨之而來的是更加精密的測量技術——載波相位差分技術。載波相位差分技術即RTK技術(Real Time Kinematics),是差分技術中最為精密的一種,它是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的,

59、能夠實時提供觀測點的三維坐標,并達到厘米級的高精度。</p><p>　　與偽距差分原理相同，由基準站通過數據鏈實時將載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行實時處理，能實時給出厘米級的定位結果。</p><p>　　實現載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法和差分法。前者是基準站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站，

60、以改正其載波相位，然后求解坐標。后者將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶臺進行求差解算坐標。前者為準RTK技術，后者為真正的RTK技術。這里就主要介紹后者的解算原理。</p><p>　　將基準站上觀測的載波相位通過數據鏈傳送到用戶站。用戶站靜止不動觀測若干歷元后進行計算，求解其相位模糊度。這一過程稱為初始化。</p><p>　　求差法，即單差，雙差和三差三種數學模型，已廣泛應用于靜態(tài)測量中

61、，在很多文獻中已有論述。這里只簡單介紹其工作原理。</p><p>　　在基準站和用戶站上同時在 和 歷元上觀測了兩顆衛(wèi)星（I,j）,基準站的載波相位觀測值由數據鏈實時傳送給用戶站。這樣，用戶共獲得了8個觀測值，即式(1):</p><p>　　式中，N為整周相位模糊度，φ為相位小數，τ為衛(wèi)星鐘差， τu 為用戶接收機鐘差， τb為

62、基準站鐘差。</p><p>　　單差:將兩臺接收機在同一歷元觀測同一衛(wèi)星的載波相位觀測值相減,得到4個單差方程, 式(2):</p><p>　　從式（2）中看出，單差方程中已消去了衛(wèi)星鐘差。將兩臺接收機同時觀測兩顆衛(wèi)星的載波相位觀測值求差，即同一歷元的單差相減，得到兩個雙差方程，式（3）：</p><p>　　由式（3）看出，此雙差方程中已消去了接收機的鐘差。將

63、兩臺接收機在不同歷元上的觀測值相減，即對雙差方程求差，得到三差方程，式（4）：</p><p>　　從式（4）中可看出，此處已消去了相位模糊度。</p><p>　　在靜態(tài)測量數據處理中，主要任務是求解基線矢量。因此它的計算程序是：利用三差求解出近似的基線長度，再利用浮動雙差法求解出相位模糊度和基線矢量。將求得的相位模糊度湊整后，進行固定雙差的計算，最后求解出精密的基線矢量。</p&

64、gt;<p>　　但在動態(tài)的應用中，我們要求的不是基線矢量，而是用戶所在的實時位置。因此它的計算程序如下：</p><p>　　在初始化階段，靜態(tài)觀測若干歷元。歷元數目的多少取決于用戶站到基準站的距離。在數據處理中，重復靜態(tài)觀測的程序，求出相應位置模糊度，并加以確認此相應模糊度正確無誤。</p><p>　　將求出的相應模糊度代入式（3）中，雙差方程中只包括△X,△Y,△Z三

65、個位置分量。此時，只要觀測3顆衛(wèi)星就可進行求解。這樣，在實際作業(yè)中，觀測4——6顆星，就可實時準確無誤地求解△X,△Y,△Z。</p><p>　　將基準站的地心坐標輸出，就可求得用戶站的地心坐標：</p><p>　　將當地坐標系與地心坐標的轉換參數輸出，就可得到當地坐標系的直角坐標：</p><p>　　采用下式將直角坐標轉換為大地坐標，如下式：</p&g

66、t;<p><b>　　式中，</b></p><p><b>　　a為橢球長半軸</b></p><p><b>　　e為橢球扁率</b></p><p>　　載波相位差分技術——RTK技術既有廣闊的前景，又有著很大的難度。由于它的測量精度高，時間短，所以在快速靜態(tài)測量，動態(tài)測量，準動

67、態(tài)測量中得到廣泛的應用，能快速高精度建立工程控制網和實際工程作業(yè)。同時，可進一步拓寬到實時三維動態(tài)放樣，一步法成圖等作業(yè)中。例如海上精密打樁工程，定點打孔炸礁，地籍測繪地圖等。</p><p>　　但是，這一技術仍存在著局限性。例如，基準站信號的傳輸延遲，給實時定位帶來的誤差。高波特率數據傳輸的可靠性及電臺干擾更是影響工作的主要問題。</p><p>　　目前，由于這一技術的先進性，已引起

68、GPS生產廠商的關注。各種系統(tǒng)，諸如RTP，RTD, RTZ等不斷問世，成為差分 GPS開發(fā)的重要方向。</p><p>　　2.3廣域差分GPS</p><p>　　2.3.1廣域差分GPS的基本思想</p><p>　　廣域差分GPS（Wide Area DGPS，WADGPS）技術的基本思想是對GPS觀測量的誤差源加以區(qū)分，并對每一個誤差源分別加以“模型化”，

69、然后將計算出來的每一個誤差源的誤差修正值，通過數據通訊鏈傳輸給用戶，對用戶GPS接收機的觀測值誤差加以改正，以達到削弱這些誤差源影響，改善用戶這些誤差源的影響，改善用戶GPS定位精度的目的。因此既削弱了LADGPS技術中對基準站和用戶站之間時空相關性的要求，又保持了LADGPS的定位精度。因此在WADGPS系統(tǒng)眾，只要數據通訊鏈有足夠的能力，基準站和用戶站之間的距離原則上是沒有限制的。</p><p>　　WAD

70、GPS所針對的這些誤差源主要表現在以下幾個方面：</p><p><b>　　衛(wèi)星星歷誤差</b></p><p><b>　?、谛l(wèi)星時鐘誤差</b></p><p>　　③電離層對GPS信號傳播產生的時間延遲。</p><p>　　2.3.2廣域差分GPS的工作流程</p><

71、p>　　WADGPS系統(tǒng)一般由一個主控站、若干個GPS衛(wèi)星跟蹤站、一個差分信號播發(fā)站、若干個監(jiān)測站、相應的數據通訊網絡和若干個用戶站組成。系統(tǒng)的工作流程分解來看，可以分為下面五個步驟：</p><p>　　在已知精確地心坐標的若干個GPS衛(wèi)星跟蹤站上，跟蹤接收GPS衛(wèi)星的廣播星歷、</p><p>　　偽距、載波相位等信息。</p><p>　　跟蹤站所獲得的

72、這些信息，通過數據通訊網絡全部傳輸到主控站。</p><p>　?、墼谥骺卣居嬎愠鱿鄬πl(wèi)星廣播星歷的衛(wèi)星軌道誤差改正、衛(wèi)星鐘差改正及電離層時間延遲改正。</p><p>　?、?將這些改正值通過差分信號播發(fā)站（數據通訊網絡）傳輸給用戶站。</p><p>　　用戶站利用這些改正值來改正他們所接收到的GPS信息，進行C/A碼偽距單點定位以改善用戶站GPS導航定位精度。

73、</p><p>　　2.3.3廣域差分GPS系統(tǒng)的基本構成</p><p><b>　　衛(wèi)星跟蹤站</b></p><p>　　對衛(wèi)星跟蹤站的要求首先是必須精確知道該站址的三維地心坐標，一般其點位精度（相對于ITRF而言）應不低予0.2m。對站址周圍環(huán)境的主要要求是希望在360o視野內至少能有高度角5o以上的開闊天空。此外，跟蹤站還應配備原子

74、鐘、能測定電離層時間延遲的雙頻GPS接收機、自動氣象記錄儀等。</p><p>　　跟蹤站的任務是將其原始偽距觀測數據、氣象觀測數據和當地電離層時間延遲改正等各類數據實時或準實時的傳輸到主控站，其中偽距觀測數據主要用來計算衛(wèi)星鐘差，一般要求1秒鐘一個采樣，應而1秒就應傳輸1組觀測數據。</p><p>　　為了使主控站能正確算出這三項差分改正，至少需要三個跟蹤站。但為了改善計算結果的精度和

75、進行檢核，一般在WADGPS系統(tǒng)中，跟蹤站個數不低于4-6個。</p><p><b>　　用戶站</b></p><p>　　WADGPS系統(tǒng)中的標準用戶站應該是利用C/A碼的單頻GPS接收機。用戶站周圍也希望在360o視野內有高度角15o以上的開闊天空。用戶站還應具有能接收由差分信號播發(fā)站發(fā)送的差分改正信息的能力，用戶站GPS接收機中的軟件應保證這些差分信息能實時

76、解出用戶站的坐標。</p><p><b>　　主控站</b></p><p>　　在WADGPS系統(tǒng)中最關鍵的是主控站。它通過數據通信網絡接收各個跟蹤站傳輸的GPS</p><p>　　偽距觀測值和電離層時間延遲改正值,結合本站相應的GPS數據,計算三類廣域差分修正值,即對每一顆GPS衛(wèi)星的星歷改正、鐘差改正和電離層時間延遲改正的8個參數。然

77、后通過數據通信網絡將這些差分信息傳輸給差分信息播發(fā)站。</p><p>　　差分信息播發(fā)站和數據通訊網絡</p><p>　　WADGPS的數據通信網絡和LADGPS的數據通訊鏈的主要區(qū)別在于多了跟蹤站與主控站之間的數據通訊。主控站或播發(fā)站的數據傳輸和播發(fā)、數據通訊中的編碼器和用戶的解碼器的功能都和LADGPS類似。但該系統(tǒng)要求覆蓋面廣，傳輸的信息量大，因此WADGPS中的跟蹤站到主控站的

78、數據傳輸和播發(fā)站向用戶站的差分信息傳輸，常常須選用長波，衛(wèi)星通訊等。顯而易見，WADGPS系統(tǒng)中的數據通訊具有數據量大、速度要求快、通訊距離長、覆蓋面大的特點。因此數據通訊網絡是WADGPS技術中最復雜，投資最為昂貴的部分。</p><p>　　2.3.4WADGPS的技術特點</p><p>　　WADGPS向用戶站提供主控站計算出的主要誤差源的差分改正值，從而顧及了誤差源對不同位置測站

79、觀測值影響的區(qū)別。所以WADGPS技術克服了LADGPS技術對時空的倚賴性，而且保持和改善了LADGPS中實時差分定位的精度。WADGPS技術的特點是：</p><p>　　主控站和用戶站的間隔可以增大至1000-1500Km甚至更長，且不會顯著降低用戶站定位精度。因此在中國這樣大的國家里若要維持一定的GPS導航和定位精度，相對于LADGPS系統(tǒng)而言，WADGPS系統(tǒng)大大減少了基準站的數量。</p>

80、<p>　　由于能實時給出主要誤差源的差分改正值，對于削弱SA的影響，WADGPS技術的效果要比LADGPS好（見表3，1992年12月美國斯坦福大學的C.Kee等人在有SA影響時試驗得出的）。</p><p><b>　　表3</b></p><p>　　WADGPS系統(tǒng)的作用覆蓋區(qū)域可以擴展到一些困難地區(qū)，如遠洋、沙漠。</p><

81、p>　　WADGPS技術由于要求有較好的硬件、軟件和高效率的強大通訊設備，因此投資、運行和維護費用相對說來就比較高，對操作和維持這一系統(tǒng)的技術要求也比LADGPS復雜的多。同時用戶的GPS接收機在進行這種類型的差分改正時，需要更完善的接收設備和計算軟件。</p><p>　　2.4數據鏈與數據格式</p><p>　　差分GPS定位系統(tǒng)是由一個基準站和多個用戶臺組成?；鶞收九c用戶臺之

82、間的聯系，即由基準站計算出的改正數發(fā)送到用戶臺的手段是靠數據鏈完成的。數據鏈由調制解調器和電臺組成。</p><p>　　通常，坐標差分可選對講機，而偽距差分，RTK技術則應選擇電臺?？紤]到森林中的環(huán)境以及對定位精度的要求，實施RTK. RTD技術時可選擇便攜的電臺及有RTCM-102 數據接口的手持式DGPS接受機。</p><p><b>　　2.4.1電臺選擇</b&

83、gt;</p><p>　　目前，市面上的電臺分為兩類：一類為直接傳輸，甚高頻（VHF）,超高頻（UHF）, 一般以視距直接通視的方式，25 W的功率傳輸，作用距離達20~100km，這種設備簡單易用。另一類為地波傳輸，包括低頻（LF）和中頻（MF），這種信號能沿地球表面?zhèn)鞑?，能饒過建筑物和山丘，作用距離可達1000~2000km，適合于國家級固定型GPS差分站。在森林資源調查，監(jiān)測及環(huán)境評價定位中，我們選擇頻率

84、為60MHz的MOTOROLA sm120 UHF電臺，標稱作用半徑為50km, 實際在山區(qū)，林區(qū)為30km，在平原，開闊地區(qū)為50~100km。當然，林區(qū)防火了望塔上的UHF電臺是實施DGPS 值得利用的資源，可有效地節(jié)省DGPS費用，并不影響一旦發(fā)生火災時的通話（語音聯系）。</p><p>　　2.4.2調制解調器</p><p>　　調制就是利用調制信號——這里指差分改正信號去改變

85、載波的某一參數的過程。常用載波為正弦波，表征正弦波的參數為振幅，調頻和調相解調是調制的相反過程，即從已調制載波中解調出用戶感興趣的信號——差分改正數等。</p><p>　　一般DGPS系統(tǒng)選擇數字調幅，數字調頻，數字調相。RTD技術選擇頻移鍵控（FSK），波特率1200bit/s；RTK技術選擇高斯濾波的最小頻移鍵控MSK，即GMSK，波特率為9600bit/s。 </p><p>　　

86、FSK利用二元數字信號調制載波頻率。當數字“1”和“0”分別控制兩個獨立的載波頻率時，便形成FSK調制。</p><p><b>　　已調信號波形為：</b></p><p>　　式中，初始相位 是在（-π，π）內均勻分布的隨機變量。 </p><p>　　調制解調器與電臺，GPS OEM之間一般通過RS-232C聯系。</p

87、><p>　　2.4.3NMEA-0183數據格式</p><p>　　NMEA-0183是美國國家海洋電子協會為海用電子設備制定的標準格式0180和0182的基礎上增加了GPS接收機輸出的內容而完成的。目前廣泛采用的是Ver 2.00版本。現在除少數GPS接收機外，幾乎所有的接收機均采用了這一格式。為了有效地開發(fā)GPS芯片，必須熟練地掌握這一格式。因此這里將敘述部分與GPS定位有關的標準格式

88、。</p><p><b>　　格式定義</b></p><p>　?、贁祿捎肁NSI標準，以串口非同步傳送，每個字的參數如下： </p><p>　　波特率 4800bit/s</p><p>　　數據位 8bit</p><p>　　奇偶校驗

89、 無</p><p>　　開始位 1bit</p><p>　　停止位 1bit</p><p>　　②NMEA-183的每條語句格式如下表所示。</p><p>　　例如， GGA GPS固定數據，這是一幀GPS定位的主要數據，也是用途最廣泛的數據。</p><p&

90、gt;　　2.4.4RTCM-104數據格式</p><p>　　國際航運事業(yè)無線電技術委員會（RTCM）于1983年11月為全球推廣應用差分GPS業(yè)務設立了SC-104專門委員會，以便論證用于提供差分GPS業(yè)務的的各種方法，并制定各種數據格式。1985年11月發(fā)表了Ver1.0版本的建議文件。經過5年的實驗研究，取得了豐富的試驗資料，對文件版本進行了升級和修改，于1990年1月公布了Ver2.0版本。新版本提高

91、了差分改正數的抗差性能，增大了可用信息量。從多次試驗表明，差分定位精度由原版本的8~10m提高到5m，通?？蛇_2~3m。如果應用載波相位信息和積分多普勒技術，則可以使定位精度提高到1m。這是鼓舞人心的事?，F在的商用GPS接收機除了編制自己的格式外，都配有通用的RTCM SC-104格式，有的就采用了這一通用格式。</p><p>　　為了適應載波相位差分GPS的需要，1994年1月又公布了Ver2.1版本。這一版

92、本保留了基本電文，增加了幾個支撐實時動態(tài)定位(RTK)的電文。</p><p>　　開發(fā)GPS技術的用戶已經熟悉了GPS電文。在RTCM電文的字長，字格式，奇偶校驗規(guī)則和其他特性。兩種格式的主要差別在于GPS電文格式中各子幀的長度是固定的，而差分GPS電文格式采用要變長度的格式。在編輯中要考慮以下因素：</p><p>　　增強奇偶校驗規(guī)則，以檢驗出數據中的誤差，避免將錯誤改正數發(fā)送給用戶

93、，提高用戶使用的可靠性。</p><p>　　一般用戶不需要數據鏈的奇偶校驗，不需要在數據傳輸過程成中的控制。這樣，在多數應用中，不需要數據鏈奇偶校驗和編碼方案。</p><p>　　奇偶校驗規(guī)則，搭接邊界規(guī)則，求解模糊度符號，在雙相調制數據傳輸中統(tǒng)一協調解決。</p><p>　　采用30bit和50Hz傳輸率相匹配，字邊界時間為0.6s的整倍數，便于定時控制。以

94、 前采用的32bit只能在16s內有一次相遇。</p><p>　　RTCM-104格式共有21類63種電文形式，比較重要的有電文1-DGP改正數，電文2-ΔDGPS改正數。</p><p>　　時刻t的偽距改正數為：</p><p>　　式中， 為16bit的偽距改正數，RRC為8bit的偽距改正數變化率， 為第二字碼的改正Z記數。經改正后的偽距

95、為：</p><p>　　PR(t)=PRM(t)+PRC(t)</p><p>　　PR(t)為差分改正后的偽距值，PRM(t)為偽距觀測值，PRC(t)為t時刻的偽距改正數。</p><p>　　用戶差分測距誤差（UDRE）的1δ估值可由基準站提供，一般而言 （單位權方差）。</p><p>　　現在將電文格式和類型介紹于

96、后：</p><p><b>　　電文格式</b></p><p>　　各個電文類型的格式不同。每一幀電文由不同數目的30bit字碼組成。每一電文字包括引導字和參數組成。字碼中前24個字為數據，后6個字為海明奇偶校驗位與GPS發(fā)射的電文相同。一般計算機都是16bit或32bit字長，而SC-104選擇了30bit字長，這樣，與每秒50bit的導航電文相匹配，字的邊界將

97、出現在0.6秒的整數倍處。應用0.6秒單位作為標志參考時間到電文參數的基本時間間隔。參考時間稱為修正Z計算。他是衛(wèi)星導航電文中z計數形成的，z計數是GPS衛(wèi)星的基本時間單位。它是29bit二進制數。</p><p>　　每一幀電文的前兩個字為字頭，內容都相同，為8bit（01100110）的引導字，后接電文類型、參考站識別符、修正z計數，每幀增量的序列號、幀長和參考站健康狀況。</p><p&

98、gt;<b>　　電文類型</b></p><p>　　SC-104一共規(guī)定了26類電文（表1），有些是固定的，有些是試用的。1個電文放棄不用，9個備用。下面簡單介紹幾幀最重要的電文：</p><p><b>　　表1</b></p><p><b>　　電文1</b></p><

99、p>　　這是一幀最主要的電文。它提供C/A碼的偽距改正數PRC（t）以供給用戶改正在t時刻的偽距觀測量PRM（t）。改正數分為兩部分，一部分是修正z計數參考時間的偽距改正數PRC（t0），另一部分為偽距變化率改正數RRC，則改正數為：</p><p>　　PRC(t)=PRC(t0)+RRC(t-t0) (1-18)</p><p&

100、gt;　　用戶臺改正后的偽距為： PR（t）=PRM（t）+PRC（t）</p><p>　　此電文除了偽距變化率的改正數外，還包括比例因子（s）、用戶差分定位精度（UDRE）、衛(wèi)星標識符（ID）和數據發(fā)布期（IOD）。比例因子確定了偽距和偽距變化率改正數的單位。分為兩檔：高精度狀態(tài)，偽距為0.02m和變化率為0.002m/s；低精度時，偽距為0.32m和變化率為0.032m/s。UDRE是由基準站提

101、供的，0-<=1m,1-<=4m,2-<=8m,3-<8m。ID為衛(wèi)星編號，IOD為數據發(fā)布期，與GPS電文相同，它保證用戶臺使用與基準站相同的星歷和時鐘參數。</p><p><b>　　電文2</b></p><p>　　當基準站應用新的一組軌道參數、時鐘參數，用戶臺也采用時，這之間存在著時延，此時需要電文2。電文2包括轉換兩組參數時的偽距

102、和偽距變化率的差值，稱為△偽距改正數和△偽距變化率改正數。用戶采用此電文直到收到新的一組參數為止。跟蹤能力強的接收機可省去這一組電文。</p><p><b>　　電文3</b></p><p>　　此電文包括基準站的x，y，z坐標，精度達到厘米級。此坐標為WGS-84坐標系。</p><p><b>　　電文4</b>&

103、lt;/p><p>　　原計劃基準站發(fā)射載波相位，以供用戶臺進行精密定位。由于相對測量中的精確時標難于統(tǒng)一，而采用了RTK技術予于代替，所以這一幀電文已經放棄。</p><p><b>　　電文5</b></p><p>　　此電文為衛(wèi)星星座健康狀況。它包括基準站觀測的衛(wèi)星健康狀況、信噪比，作為觀測時的參考。</p><p>

104、;<b>　　電文6</b></p><p>　　此電文為零幀，無內容。它包括兩個字頭字碼或一個字頭加交替“1”“0”的24bit數據組成。</p><p><b>　　電文7</b></p><p>　　此電文提供用于差分GPS的無線電信標的性能，包括識別符、位置、頻率、服務范圍、健康狀況、調制方式以及糾錯方式。此電文對

105、大范圍運動的用戶特別適用。</p><p><b>　　電文9</b></p><p>　　此電文于電文1格式相同和用途相同。其最大差別是電文1包括了基準站跟蹤全部衛(wèi)星的偽距改正數和偽距變化率的改正數。而電文9只包括了三個衛(wèi)星的改正數。即將電文1分成3組由電文9發(fā)送出去。這樣設置優(yōu)點為：第一，減少電文1的發(fā)送時間，改善了定位精度，特別是在偽距和變化率改變大的時候。第二

106、，通用電文字頭發(fā)送速率提高3倍，使用接收機同步的機會大大增加。</p><p><b>　　電文18-21</b></p><p>　　此電文是用于發(fā)送RTK信號的電文，這組數據可供給飛行運動中（OTF）求解相位模糊度。電文18為載波相位觀測量，電文19為偽距觀測量。這些數據未經過任何改正，是基準站觀測的原始數據。電文20和21是載波相位和偽距改正數，它是由基準站的已

107、知精度坐標計算出來的。在電文中采用適當的標志來識別L1，L2，電離層差改正、載波相位和偽距數據。其中L2載波相位為半波或全波，電離層改正是由L1 C/A碼或P碼計算的，偽距是由C/A碼或P碼計算的。</p><p>　　電文18-21包括著測量的GPS時間，由于提高字頭中z計數的分辨率。此電文也包括數據質量評定。這是由載波相位中未改正的周跳次數來表征。同時，給出基準站偽距多路徑誤差的估值。</p>

108、<p><b>　　(3)電文結構</b></p><p>　　RTCM電文是由二進制編碼的數據流組成。每一RTCM電文是由（N+2）個30bit字組成。每個字分解為5個6bit的字節(jié)。這樣可允許在標準計算機UART間串行傳遞。在RTCM中，其MSB（最高位）標為d1，LSB（最低位）標為d30。這樣d1-d6包含在字節(jié)1中，d25-d30包含在字節(jié)5中。字節(jié)5為奇偶校驗碼，用于校

109、驗接收到的RTCM數據。</p><p>　　RTCM電文結構包括兩個字頭和后接N個數據字。解碼的字頭包括1個引導字、各電文的字數N、電文類型和其他數據。</p><p>　　RTCM電文格式采用6/8（bit1-6，bit1為LSB）進行數據傳輸。Bit7設置為標志位，bit8設置為空格。這種編碼規(guī)則對RTCM字節(jié)而言在十進制64-127之間有效。凡大于127和小于64的字節(jié)對RTCM均

110、無效</p><p><b>　　（4）電文解碼</b></p><p>　　接收機在接收到RTCM電文后，按照以下次序對電文進行解碼：</p><p><b>　　字節(jié)掃描</b></p><p>　　在接收到每一字節(jié)后的第一件事是進行字節(jié)掃描。只允許有效的RTCM電文通過并進入解碼過程。如果字節(jié)