GNSS定位系列(2)——定位模式

目录

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一、GNSS定位模式概览

二、GNSS定位误差分析

三、差分定位技术

四、差分技术介绍

4.1 差分信息种类不同

4.1.1 位置差分

4.1.2 伪距差分

4.1.3 载波相位差分

4.2 差分信号方式不同

4.2.1 码相位差分

4.2.2 载波相位差分

4.3 差分覆盖范围

五、GNSS定位模式种类

5.1 单点定位（Standalone or Single Point Positioning，SPP）

5.2 精确单点定位（Precise Point Positioning，PPP）

5.3 位置差分定位（Position Differential）

5.4 伪距差分定位(实时动态码相位差分定位（Real-time Differential，RTD))

5.5 实时动态载波相位差分定位（Real-Time Kinematic, RTK）

5.6 后处理差分动态定位（Post-Processed Kinematic, PPK）

5.7 总结

一、GNSS定位模式概览

GNSS定位模式按照是否差分可以分为单点定位和差分定位；按照是否实时定位可分为非实时定位和实时定位。主要包含六种定位模式，如下图所示。

二、GNSS定位误差分析

在GNSS定位中，接收机存在三部分误差：一是公共误差，如：卫星钟误差、星历误差等；二是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误差等；三是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。为了减少这些误差对观测精度的影响，多采用差分定位技术。

单基站RTK定位的范围大约在50km以内，一个重要原因就是要保证基站和移动站的公共误差和传播延迟误差尽量一致，即在同一片天空下，观测同一组卫星，这样误差消除的才好！

三、差分定位技术

差分技术（DGPS，Differential GPS）就是在一个测站对两个目标进行观测值求差；或在两个测站对一个目标的观测值求差；或在一个测站对一个目标的两次观测值求差。

差分的目的是消除公共误差，提高定位精度。差分技术可完全消除上述的第一部分误差，可大部分消除第二部分误差，但无法消除第三部分误差。

四、差分技术介绍

4.1 差分信息种类不同

根据差分GNSS基准站发送的信息种类，可将差分GNSS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分、载波相位差分（包含实时和非实时）。这三类差分方式的工作原理大致相同，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。

4.1.1 位置差分原理

这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。

基准站观测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，解算出的坐标与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。

最后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情况。 位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。

4.1.2 伪距差分原理

伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事 无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。

在基准站要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有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。最后，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。

例如：首先根据基准站已知的精确坐标，计算出基准站到卫星的距离d1，接着由于误差的存在，基准站观测到与卫星伪距离d2，d1与d2两者之间存在一个差值。这个差值（改正值）由基准站实时地发送出去，用户接收机在进行GNSS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对定位结果进行修正消除公共误差。

与位置差分相似，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除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。

4.1.3 载波相位差分原理

载波相位(Carrier Beat Phase)差分技术是实时处理两个测站观测载波相位的差分方法。由基准站通过数据链及时将其载波观测值及基准站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GNSS卫星的载波相位与基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行及时处理。

由于载波的频率远高于测距码信号频率，载波的波长更小，所以在相同分辨率的情况下，载波相位的观测精度比伪距测量高出许多。例如L1 载波的波长仅为19cm，如果分辨率为1%，则相应的观测精度约为2.0mm；同理，L2 载波的观测精度约为2.5mm。利用载波相位测量进行静态相对定位，可获得毫米级相对精度，是目前最精确的观测方式。

实现载波相位差分定位的方法分为两类：修正法与差分法。前者和伪距差分相同，基准站把载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，之后求解坐标。后者把基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者是准RTK技术，后者为真正的RTK技术。

4.2 差分信号方式不同

从差分所用的信号方式，可分为码相位差分和载波相位差分技术。

4.2.1 码相位差分原理

伪距测量(Pseudo Range Measurements)，也叫码相位观测，是指利用测距码(C/A 码或P 码)，确定卫星信号到达接收机的时间延迟(距离延迟)。通过将接收机内部的复制码与接收到的测距码信号对齐，达到最大相关，由此得到的相移量便可转换为卫星信号的传播时间，即时间延迟。

使用不同的测距码(C/A 码或P 码)和不同的观测方式(静态或动态定位)，伪距测量的水平定位精度在1～30m 之间。

在实时动态测量中，最先在码相位测量上引入差分技术，所以把实时动态码相位差分测量称作常规差分GPS测量技术，也就是一般的DGPS/差分定位。

注：DGPS在某些GNSS芯片中特指伪距差分定位即RTD定位。

4.2.2 载波相位差分原理

载波相位(Carrier Beat Phase)差分技术是实时处理两个测站观测载波相位的差分方法。由基准站通过数据链及时将其载波观测值及基准站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GNSS卫星的载波相位与基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行及时处理。

由于载波的频率远高于测距码信号频率，载波的波长更小，所以在相同分辨率的情况下，载波相位的观测精度比伪距测量高出许多。例如L1 载波的波长仅为19cm，如果分辨率为1%，则相应的观测精度约为2.0mm；同理，L2 载波的观测精度约为2.5mm。利用载波相位测量进行静态相对定位，可获得毫米级相对精度，是目前最精确的观测方式。

实现载波相位差分定位的方法分为两类：修正法与差分法。前者和伪距差分相同，基准站把载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，之后求解坐标。后者把基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者是准RTK技术，后者为真正的RTK技术。

4.3 差分覆盖范围不同

根据基站覆盖区域范围，差分GNSS可分为三种类型，分别是单基准站差分、多基准站的局部区域差分和广域差分。

五、GNSS定位模式种类

5.1 单点定位（Standalone or Single Point Positioning，SPP）

单点定位也称标准定位，是最早也是最基础的GNSS定位方式，单点定位自GNSS系统（如GPS）投入使用以来即已存在，常用于简单的导航应用。

项

描述

原理

单点定位是通过至少四颗卫星信号来计算接收机的位置。接收机通过测量各颗卫星与接收机之间的传播时间（即伪距），根据这些信号的到达时间来计算位置坐标。

精度

单点定位的精度通常在几米到几十米之间，精度受卫星信号的传播环境、卫星位置、气象条件（如卫星位置误差、电离层效应和大气延迟）以及接收机质量的影响。

优点

实现简单，不需要额外的基站或参考站，且成本低，适合应用于消费类设备（如手机、车载导航等）。

缺点

精度较低，无法提供高精度定位。

5.2 精确单点定位（Precise Point Positioning，PPP）

精确单点定位（PPP）技术起源于2000年代中期。它采用了更高精度的大气模型和卫星轨道数据，能够提供更高精度的定位，在地质勘探、监测地壳的运动、地震前兆及其他地质活动等广泛应用。

项

描述

原理

精确单点定位（PPP）使用精密的卫星轨道和钟差信息，通过接收机与卫星之间的伪距测量，计算精确的位置坐标。与传统的单点定位不同，PPP不依赖基站进行差分修正，而是使用全球精确的卫星数据和定位算法来直接获得精确位置。

精度

精确单点定位的精度可达到厘米级或更高，通常在1至3厘米之间。精度取决于卫星精度、大气延迟校正和接收机的质量。通过精密的卫星轨道与钟差数据，PPP能够显著提高定位精度。

优点

1. 不需要基站或差分信号，适用于全球范围内的定位。 2. 精度较高，适用于高精度要求的应用，如地质勘探、航测等。 3. 在没有基站支持的环境下也能进行高精度定位。

缺点

1. 计算过程较为复杂，可能需要更长的收敛时间，大约1-30分钟，尤其在首次定位时。 2. 对于大气效应（如电离层和对流层）较为敏感。 3. 精度受到卫星信息质量和天气条件的影响。

5.3 位置差分定位（Position Differential）

位置差分定位技术大约在1980年代末出现，并在1990年代初期 得到广泛应用，通过在已知位置的基站测量并计算卫星信号误差，将修正后的误差信号通过无线电或其他通信手段广播给用户端，从而提高定位精度。在海洋、航空和测量领域广泛应用。

项

描述

原理

位置差分通过设置已知位置的参考站（基站）来提高定位精度。基站接收卫星信号，计算自己位置的误差，并将这些误差信息通过无线信号发送给移动接收机。接收机利用这些误差信息来修正自身的定位结果。

精度

位置差分可以将定位精度提高到米级或更高，通常在1米到3米之间，适合中等精度的应用场景。其精度受基站信号传输范围和环境干扰的影响。

优点

1. 提升定位精度，相比单点定位显著提高。 2. 操作简单，适用于不需要极高精度的应用。 3. 无需对用户设备进行复杂计算，适合大规模应用。

缺点

1. 需要设置并维护基站，增加成本。 2. 基站的信号范围有限，可能无法覆盖较大区域。 3. 对信号遮挡和电离层效应较为敏感。

5.4 伪距差分定位(实时动态码相位差分定位（Real-time Differential，RTD))

实时动态码差分（RTD）定位技术的出现大约是在 2000年代初期，码相位观测也叫伪距测量(Pseudo Range Measurements)。 RTD计算的是伪距，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机。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。

在实时动态测量中，最先在码相位测量上引入差分技术，所以把实时动态码相位差分测量称作常规差分GPS测量技术，也就是一般的DGPS/差分定位。

注：DGPS在某些GNSS芯片中特指伪距差分定位即RTD定位。

项

描述

原理

RTD通过已知位置的基站实时测量卫星的伪距误差，将误差信息通过无线通信链路发送给用户接收机，接收机使用这些误差数据修正自身伪距，从而提高定位精度。

精度

RTD的定位精度通常在米级到亚米级之间，具体取决于基站距离、卫星信号质量和环境条件，适合对实时性要求较高但精度要求不达厘米级的场景。

优点

1. 实时性强，适用于动态定位场景。2. 比传统单点定位和DGPS精度更高，可达到亚米级。3. 不需要复杂的载波相位处理，设备相对简单。

缺点

1. 精度比RTK低，无法达到厘米级。2. 依赖基站和稳定的通信链路，基站的信号覆盖范围有限。3. 受卫星信号质量和环境干扰的影响较大，在遮挡严重的区域性能可能下降。

5.5 实时动态载波相位差分定位（Real-Time Kinematic, RTK）

实时动态（RTK）载波相位差分定位技术最早出现在1990年代。它是基于载波相位差分的定位方法，相比单点定位和差分定位，RTK能够提供厘米级精度，主要应用于要求极高精度的场景，广泛应用于测量、农业机械、建筑测量和无人驾驶等需要高精度的领域。

项

描述

原理

RTK定位通过基站与用户设备之间的实时通信进行差分修正，采用载波相位测量技术，通过精确计算伪距和相位差来获得厘米级的定位精度。基站与用户设备进行实时数据交换，基站提供卫星信号误差修正，用户设备利用这些信息计算准确位置。

精度

RTK能够提供厘米级的定位精度，通常误差在1-3厘米之间，是目前定位精度最高的技术之一，广泛应用于高精度测量和无人驾驶等领域。

优点

1. 精度极高，适用于精密测量和要求高精度的定位任务。 2. 实时提供高精度定位数据，支持动态定位。 3. 可以进行动态场景中的快速实时定位，如无人驾驶和农业机械。

缺点

1. 需要实时通信链路，通常依赖于无线网络、4G/5G等通信技术。 2. 基站部署和维护成本较高。 3. 受卫星信号质量、环境影响（如高楼、隧道等）及大气干扰较大。

5.6 后处理差分动态定位（Post-Processed Kinematic, PPK）

动态后处理（PPK）技术与RTK类似，首次应用于2000年代初期。不同于RTK，PPK技术允许在数据采集后进行精度修正，广泛应用于无法实时通信的测量场景。

PPK与RTK类似，也是基于载波相位差进行定位，但它和RTK的主要差别在于，在运动载体和基准站之间，不必像实时差分动态定位那样建立实时数据传输，而是在定位观测以后，对两台GPS接收机（运动载体和基准站GNSS接收机）所采集的定位数据进行测后的联合处理，从而计算出运动载体上的GNSS接收机在对应时间上的坐标位置。

例如，在航空摄影测量时,用CPS（ Carrier Phase Signal）载波相位信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置，就可以采用后处理差分动态定位。

项

描述

原理

PPK 技术通过收集用户设备与基站的卫星信号数据，后期通过差分技术进行处理，从而获得高精度位置。与 RTK 定位不同，PPK 不需要实时通信，而是通过存储原始数据，回传后处理。

精度

PPK 可以达到与 RTK 相似的精度，通常在厘米级，误差一般在 1-3 厘米之间。

优点

- 不需要实时通信，适合没有稳定通信链路的环境。- 后处理可以提高定位精度，减少误差。- 后期处理不受通信质量影响，稳定性较高。

缺点

- 无法提供实时定位结果，需要等到数据采集完成后才能进行处理。- 数据处理过程较为复杂，需要专门的软件和技术人员进行操作。

5.7 总结

定位方式

定位原理

定位精度

优点

缺点

单点定位（SPP）

基于至少四颗卫星信号，通过伪距测量计算位置。接收机计算从各颗卫星到接收机的传播时间，从而推算出位置坐标。

几米到几十米

简单实现，无需基站，成本低，适用于消费级导航设备。

精度较低，无法提供高精度定位，仅适用于简单导航需求。

精确单点定位（PPP）

使用高精度的卫星轨道和钟差信息，结合精密的大气模型进行定位，提升定位精度。适合需要高精度的科学测量。

1-3厘米

精度较高，不需要基站支持，适用于高精度需求的应用，如地质勘探和测绘等。

需要较长的时间收敛，大约1-30min，首次定位较慢；对大气效应较为敏感，精度受卫星数据和天气条件影响。

位置差分定位

通过基站已知位置与用户接收机之间的卫星信号误差进行差分修正，从而提高定位精度。基站提供误差校正数据。

1-3米

提升定位精度，适用于中等精度需求的应用。无需复杂的设备。

需要基站支持，基站的信号覆盖范围有限，受遮挡影响较大。

伪距差分定位(码相位差分)（RTD）

基站通过实时测量卫星伪距误差，将误差信息通过无线通信传输给接收机，接收机使用这些信息修正伪距，从而精确定位。

1-3米

实时性强，定位精度较高，适用于动态应用场景，如车辆导航和动态测量。

受基站信号覆盖范围限制，通信质量要求高，定位精度通常低于RTK。

实时动态载波差分定位（RTK）

通过基站与用户接收机的实时通信，利用载波相位差分技术进行定位修正。定位精度可达到厘米级。

1-3厘米

高精度，适用于高要求的定位任务，实时提供精确位置，广泛应用于高精度测量、无人驾驶等领域。

需要实时通信链路，基站部署复杂，维护成本高，信号受环境和遮挡影响较大。

后处理静态定位（PPK）

先收集原始卫星数据，后期通过差分技术进行精度修正。通过后期处理得到更高精度的位置，通常应用于静态测量。

1-3厘米

精度高，适用于高精度需求的静态应用，不需要实时通讯，适合测量、土地勘探等工作。

需要后期数据处理，无法实时提供定位信息，处理时间较长。

注：DGPS在某些GNSS芯片中特指伪距差分定位即RTD定位。

参考博客：

RTD、RTK等定位区别：https://blog.csdn.net/weixin_45875986/article/details/138950966

RTK GPS DGPS RTD：https://blog.csdn.net/fanzy1234/article/details/132837003

DGPS与RTK的区别：https://blog.csdn.net/internet_register/article/details/45024987

RTD定位与RTK定位科普介绍：https://blog.csdn.net/return_oops/article/details/103713768

千寻GPS差分定位解释：https://www.qxwz.com/baike/047380752

RTK、PPP、PPP-RTK三种卫星测量技术简介：https://www.qxwz.com/zixun/535001723

GPS PPK技术：https://baike.baidu.com/item/GPS%20PPK%E6%8A%80%E6%9C%AF/8509747

后处理差分动态定位：https://www.qxwz.com/baike/027088104

一文弄懂3种差分GPS定位方式的技术原理：http://www.xinruikc.cn/jsgh/539.html

GPS定位及差分GPS定位技术原理：http://www.xinruikc.cn/jsgh/538.html

北斗官网介绍GPS差分技术：http://www.beidou.gov.cn/zy/kpyd/201710/t20171011_4615.html

RTK和RTD有什么区别：https://blog.csdn.net/m0_48012049/article/details/109030603

DGPS知识详解：https://blog.csdn.net/haodev/article/details/5925261

千寻GPS差分原理：https://www.qxwz.com/baike/158062033

GNSS接收机的分类：http://www.beidou.gov.cn/zy/kpyd/201710/t20171011_4578.html

伪距和载波测量方法介绍：https://www.rfgsm.com/news/GPS/450.html

详解RTK,RTD,SBAS,WAAS,PPP,PPK,广域差分等技术之间的关系与区别 ：https://www.sohu.com/a/544557298_121372289

GNSS PPP和PPK区别：https://blog.csdn.net/m0_48012049/article/details/109175427

掌握精度：从 DGPS 到 PPK 的差分修正：https://www.sbg-systems.com/zh/news/mastering-accuracy-from-dgps-to-ppk/

从RTK、PPP到PPP-RTK：https://www.163.com/dy/article/G5DK1C1G05319UN7.html

PPP-RTK，自动驾驶高精定位的“搅局者”：https://news.qq.com/rain/a/20230827A0135P00