武汉大学 测绘学院 GPS原理及其应用课程组
GPS原理及其应用
(十二 )
GPS原理及其应用
第四章 距离测量与 GPS定位
§ 4.8 差分 GPS
GPS原理及其应用
概述①
? 差分 GPS产生的诱因：
绝对定位精度不能满
足要求
– GPS绝对定位的精度受
多种误差因素的影响，
完全满足某些特殊应
用的要求
– 美国的 GPS政策对 GPS
绝对定位精度的影响
（选择可用性 SA）
SA关闭前后 GPS绝对定位精度的变化
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 概述
GPS原理及其应用
概述②
? 差分 GPS（ DGPS – Differential GPS）
– 利用设置在坐标已知的点（基准站）上的 GPS
接收机测定 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
? RTCM-104格式
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 概述
GPS原理及其应用
影响绝对定位精度的主要误差
? 主要误差
– 卫星轨道误差
– 卫星钟差
– 大气延迟（对流层延迟、对流层延迟）
– 多路径效应
? 对定位精度的影响
。通常大于
等效距离误差定位精度
1PD O P
PD O P??
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 影响绝对定位精度的主要误差
GPS原理及其应用
差分 GPS的基本原理
? 误差的空间相关性
– 以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，
从而定位结果也有一定的空间相关性。
? 差分 GPS的基本原理
– 利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间
相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改
正其观测值或定位结果
? 差分改正数的类型
– 距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星
间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。
– 位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对 GPS
卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐
标与观测坐标之差即为位置的改正数。
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 差分 GPS的基本原理
GPS原理及其应用
差分 GPS对测量定位精度的改进
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 差分 GPS对测量定位精度的改进
DGPS( 单位,m)
间距（ km ） 误差类型
GPS
( 单位,m) 0 100 300 500
卫星钟误差 3.0 0 0 0 0
卫星星历误差 2.4 0 0.04 0.13 0.22
SA,卫星钟频抖动 24 0.25 0.25 0.25 0.25
SA,人为引入的星历误差 24 0 0.43 1.30 2.16
大气延迟误差：电离层延迟 4.0 0 0.73 1.25 1.60
大气延迟误差：对流层延迟 0.4 0 0.40 0.40 0.40
基准站接收机误差噪 声和多路径误差 0.50 0.50 0.50 0.50
基准站接收机误差：测量误差 0.20 0.20 0.20 0.20
DGPS 误差（ ms) 0.59 1.11 1.94 2.79
用户接收机误差 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
用户等效距离误差（ rms) 34.4 1.16 1.49 2.19 2.96
导航精度（ 2drms ） HDOP = 1.5 103.2 3.5 4.5 6.6 8.9
GPS原理及其应用
差分 GPS的分类
? 根据时效性
– 实时差分
– 事后差分
? 根据观测值类型
– 伪距差分
– 载波相位差分
? 根据差分改正数
– 位置差分（坐标差分）
– 距离差分
? 根据工作原理和差分模型
– 局域差分（ LADGPS – Local Area DGPS）
? 单基准站差分
? 多基准站差分
– 广域差分（ WADGPS – Wide Area DGPS）
位置差分
距离差分
距
离
改
正
坐
标
改
正
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 差分 GPS的分类
GPS原理及其应用
位置差分和距离差分的特点
? 位置差分
– 差分改正计算的数学模型简单
– 差分数据的数据量少
– 基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星
? 距离差分
– 差分改正计算的数学模型较复杂
– 差分数据的数据量较多
– 基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫
星
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 位置差分和距离差分的特点
GPS原理及其应用
单基准站局域差分
? 结构
– 基准站（一个）、数据通讯链和用户
? 数学模型（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
的变率。为距离改正数为距离改正数；
dt
dVV
t
dt
dVtVttV
ii ?????? )()( 基准
站
数据
通讯
链
流动
站
（用
户）
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 单基准站局域差分
GPS原理及其应用
多基准站局域差分
? 结构
– 基准站（多个）、数据通讯链和用户
? 数学模型（差分改正数的计算方法）
– 加权平均
– 偏导数法
– 最小方差法
? 特点
– 优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大
– 缺点：差分范围仍然有限，模型不完善
多基准站差分系统结构
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 多基准站局域差分
GPS原理及其应用
广域差分
? 结构
– 基准站（多个）、数据通讯链和用户
? 数学模型（差分改正数的计算方法）
– 与普通差分不相同
? 普通差分是考虑的是误差的综合影响
? 广域差分对各项误差加以分离，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
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 广域差分
GPS原理及其应用
差分 GPS的新进展①
? 增强型系统
– 特点
? 伪卫星技术
? 卫星通讯技术
– 类型
? LAAS – Local Area Augmentation System
– 采用地基伪卫星
? WAAS – Wide Area Augmentation System
– 采用空基伪卫星
– 采用通讯卫星发送差分改正数
WAAS
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 差分 GPS的新进展
GPS原理及其应用
差分 GPS的新进展②
? 网络 RTK
– 作业模型类似 RTK
– 原理
? 利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）各
项误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫
星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站上的虚
拟观测值，将其发送给用户，进行实时相对定位。
– 特点
? 精度和可靠性高
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 差分 GPS的新进展
GPS原理及其应用
差分 GPS的新进展②
? 网络 RTK
GPS原理及其应用
(十二 )
GPS原理及其应用
第四章 距离测量与 GPS定位
§ 4.8 差分 GPS
GPS原理及其应用
概述①
? 差分 GPS产生的诱因：
绝对定位精度不能满
足要求
– GPS绝对定位的精度受
多种误差因素的影响，
完全满足某些特殊应
用的要求
– 美国的 GPS政策对 GPS
绝对定位精度的影响
（选择可用性 SA）
SA关闭前后 GPS绝对定位精度的变化
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 概述
GPS原理及其应用
概述②
? 差分 GPS（ DGPS – Differential GPS）
– 利用设置在坐标已知的点（基准站）上的 GPS
接收机测定 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
? RTCM-104格式
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 概述
GPS原理及其应用
影响绝对定位精度的主要误差
? 主要误差
– 卫星轨道误差
– 卫星钟差
– 大气延迟（对流层延迟、对流层延迟）
– 多路径效应
? 对定位精度的影响
。通常大于
等效距离误差定位精度
1PD O P
PD O P??
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 影响绝对定位精度的主要误差
GPS原理及其应用
差分 GPS的基本原理
? 误差的空间相关性
– 以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，
从而定位结果也有一定的空间相关性。
? 差分 GPS的基本原理
– 利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间
相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改
正其观测值或定位结果
? 差分改正数的类型
– 距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星
间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。
– 位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对 GPS
卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐
标与观测坐标之差即为位置的改正数。
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 差分 GPS的基本原理
GPS原理及其应用
差分 GPS对测量定位精度的改进
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 差分 GPS对测量定位精度的改进
DGPS( 单位,m)
间距（ km ） 误差类型
GPS
( 单位,m) 0 100 300 500
卫星钟误差 3.0 0 0 0 0
卫星星历误差 2.4 0 0.04 0.13 0.22
SA,卫星钟频抖动 24 0.25 0.25 0.25 0.25
SA,人为引入的星历误差 24 0 0.43 1.30 2.16
大气延迟误差：电离层延迟 4.0 0 0.73 1.25 1.60
大气延迟误差：对流层延迟 0.4 0 0.40 0.40 0.40
基准站接收机误差噪 声和多路径误差 0.50 0.50 0.50 0.50
基准站接收机误差：测量误差 0.20 0.20 0.20 0.20
DGPS 误差（ ms) 0.59 1.11 1.94 2.79
用户接收机误差 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
用户等效距离误差（ rms) 34.4 1.16 1.49 2.19 2.96
导航精度（ 2drms ） HDOP = 1.5 103.2 3.5 4.5 6.6 8.9
GPS原理及其应用
差分 GPS的分类
? 根据时效性
– 实时差分
– 事后差分
? 根据观测值类型
– 伪距差分
– 载波相位差分
? 根据差分改正数
– 位置差分（坐标差分）
– 距离差分
? 根据工作原理和差分模型
– 局域差分（ LADGPS – Local Area DGPS）
? 单基准站差分
? 多基准站差分
– 广域差分（ WADGPS – Wide Area DGPS）
位置差分
距离差分
距
离
改
正
坐
标
改
正
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 差分 GPS的分类
GPS原理及其应用
位置差分和距离差分的特点
? 位置差分
– 差分改正计算的数学模型简单
– 差分数据的数据量少
– 基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星
? 距离差分
– 差分改正计算的数学模型较复杂
– 差分数据的数据量较多
– 基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫
星
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 位置差分和距离差分的特点
GPS原理及其应用
单基准站局域差分
? 结构
– 基准站（一个）、数据通讯链和用户
? 数学模型（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
的变率。为距离改正数为距离改正数；
dt
dVV
t
dt
dVtVttV
ii ?????? )()( 基准
站
数据
通讯
链
流动
站
（用
户）
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 单基准站局域差分
GPS原理及其应用
多基准站局域差分
? 结构
– 基准站（多个）、数据通讯链和用户
? 数学模型（差分改正数的计算方法）
– 加权平均
– 偏导数法
– 最小方差法
? 特点
– 优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大
– 缺点：差分范围仍然有限，模型不完善
多基准站差分系统结构
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 多基准站局域差分
GPS原理及其应用
广域差分
? 结构
– 基准站（多个）、数据通讯链和用户
? 数学模型（差分改正数的计算方法）
– 与普通差分不相同
? 普通差分是考虑的是误差的综合影响
? 广域差分对各项误差加以分离，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
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 广域差分
GPS原理及其应用
差分 GPS的新进展①
? 增强型系统
– 特点
? 伪卫星技术
? 卫星通讯技术
– 类型
? LAAS – Local Area Augmentation System
– 采用地基伪卫星
? WAAS – Wide Area Augmentation System
– 采用空基伪卫星
– 采用通讯卫星发送差分改正数
WAAS
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 差分 GPS的新进展
GPS原理及其应用
差分 GPS的新进展②
? 网络 RTK
– 作业模型类似 RTK
– 原理
? 利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）各
项误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫
星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站上的虚
拟观测值，将其发送给用户，进行实时相对定位。
– 特点
? 精度和可靠性高
距离测量与 GPS定位 > 差分 GPS > 差分 GPS的新进展
GPS原理及其应用
差分 GPS的新进展②
? 网络 RTK
