GPS差分原理

單GPS系統提供的定位精度是優於25米，而為得到更高的定位精度，通常採用差分GPS技術：將一台GPS接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，並由基準站實時將這一數據傳送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，並對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

基本介紹

• 中文名：GPS差分原理
• 分類：PPS、SPS
• 定位精度：優於25米
• 性質：原理

簡介

GPS提供兩種定位服務，即精確定位服務(PPS)和標準定位服務(SPS)。

精確定位服務(PPS)將提供水平為17．8m(2dRMS)和垂直為27．7m(2口)的預測定位精度，三維中的每維為0．2m/s(2口)的速度精度，90ns的時間精度。精確定位服務(PPS)採用P碼調製雙頻發射和接收。它僅提供於美國和其盟國的軍事、聯邦政府的用戶及有限的獲準的民用用戶。

標準定位服務(SPS)採用C/A碼調製、單頻發射和接收。它公開提供於民用、商用和其他用戶。儘管標準定位服務(SPS)可提供優於30m(2dRMS)的定位精度，但出於美國國家的利益，美國國防部人為地引人選擇可用性(SA)使其水平定位精度降低至100m(2dRMS)，垂直定位精度為156m(2a)，時間精度為175ns。

由於精確定位服務(PPS)不公開提供，而標準定位服務(SPS)又人為地降低了定位精度，致使需要高精度定位的民用用戶使用差分技術，提高標準定位服務(SPS)的定位精度，從而形成了差分全球定位系統，簡稱DGPS。DGPS簡單的工作原理：把已知的測定點作為差分基準點，在差分基準站安裝基準GPS接收機，並用GPS接收機連續地接收GPS信號，經處理，與基準站的已知位置進行比對，求解出實時差分修正值，以廣播或數據鏈傳輸方式，將差分修正值傳送至附近GPS用戶，以修正其GPS定位解，提高其局部範圍內用戶的定位精度。

詳細內容

差分技術很早就被人們所套用。它實際上是在一個測站對兩個目標的觀測量、兩個測站對一個目標的觀測量或一個測站對一個目標的兩次觀測量之間進行求差。其目的在於消除公共項，包括公共誤差和公共參數。在以前的無線電定位系統中已被廣泛地套用。

差分GPS定位原理

GPS是一種高精度衛星定位導航系統。在實驗期間，它能給出高精度的定位結果。這時儘管有人提出利用差分技術來進一步提高定位精度，但由於用戶要求還不迫切，所以這一技術發展較慢。隨著 GPS技術的發展和完善，套用領域的進一步開拓，人們越來越重視利用差分GPS技術來改善定位性能。它使用一台 GPS基準接收機和一台用戶接收機，利用實時或事後處理技術，就可以使用戶測量時消去公共的誤差源 —電離層和對流層效應。特別提出的是，當GPS工作衛星升空時，美國政府實行了SA政策。使衛星的軌道參數增加了很大的誤差，致使一些對定位精度要求稍高的用戶得不到滿足。因此，現在發展差分GPS技術就顯得越來越重要。

GPS定位是利用一組衛星的偽距、星曆、衛星發射時間等觀測量來實現的，同時還必須知道用戶鐘差。因此，要獲得地麵點的三維坐標，必須對4顆衛星進行測量。

在這一定位過程中，存在著三部分誤差。一部分是對每一個用戶接收機所公有的，例如，衛星鐘誤差、星曆誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機所固有的誤差，例如內部噪聲、通道延遲、多徑效應等。利用差分技術，第一部分誤差完全可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，其主要取決於基準接收機和用戶接收機的距離，第三部分誤差則無法消除。

除此以外，美國政府實施了SA政策，其結果使衛星鐘差和星曆誤差顯著增加，使原來的實時定位精度從15m降至100m。在這種情況下，利用差分技術能消除這一部分誤差，更顯示出差分GPS的優越性根據差分GPS基準站傳送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分、偽距差分和相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準站傳送改正數，由用戶站接收並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，傳送改正數的具體內容不一樣，其差分定位精度也不同。

1. 位置差分原理

這是一種最簡單的差分方法，任何一種GPS接收機均可改裝和組成這種差分系統。

安裝在基準站上的GPS接收機觀測4顆衛星後便可進行三維定位，解算出基準站的坐標。由於存在著軌道誤差、時鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應以及其他誤差，解算出的坐標與基準站的已知坐標是不一樣的， 存在誤差。基準站利用數據鏈將此改正數傳送出去，由用戶站接收，並且對其解算的用戶站坐標進行改正。

最後得到的改正後的用戶坐標已消去了基準站和用戶站的共同誤差，例如衛星軌道誤差、 SA影響、大氣影響等，提高了定位精度。以上先決條件是基準站和用戶站觀測同一組衛星的情況。 位置差分法適用於用戶與基準站間距離在100km以內的情況。

2. 偽距差分原理

偽距差分是目前用途最廣的一種技術。幾乎所有的商用差分GPS接收機均採用這種技術。國際海事 無線電委員會推薦的RTCM SC-104也採用了這種技術。

在基準站上的接收機要求得它至可見衛星的距離，並將此計算出的距離與含有誤差的測量值 加以比較。利用一個α-β濾波器將此差值濾波並求出其偏差。然後將所有衛星的測距誤差傳輸 給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最後，用戶利用改正後的偽距來解出本身的位置， 就可消去公共誤差，提高定位精度。

與位置差分相似，偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準站距離的增加又 出現了系統誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準站之間的距離對精度有決定性影響。

3. 載波相位差分原理

測地型接收機利用GPS衛星載波相位進行的靜態基線測量獲得了很高的精度（10～10）。 可是為了可靠地求解出相位模糊度，要求靜止查看一兩個小時或更長時間。這樣就限制了在工程作業中的套用。所以探求快速測量的方法應運而生。例如，採用整周模糊度快速逼近技術（FARA）使基線觀測 時間收縮到5分鐘，採用準動態（stop and go），往返重複設站（re-occupation）與動態（kinematic） 來升高GPS作業效率。這些技術的運用對推動精密GPS測量起了促進作用。但是，上述這一些作業方式都是事後進行數據處理， 不能及時提交成果和實時評定成果質量，很難制止出現事後檢查不合格造成的返工現象。

差分GPS的出現，能實時給定載體的地點，精度是米級，滿足了引航和水下測量等工程的要求。位置差分與偽距差分、 偽距差分相位平滑等技術已順利地用於各種作業中。隨之而來的是特別精密的測量技術 — 載波相位差分技術。

載波相位差分技術又稱之為RTK技術（real time kinematic），是建立在及時處理兩個測站的載波相位基礎上的。載波相位差分技術能實時提供觀測點的三維坐標，並達到厘米級的高精度。

與偽距差分原理相同，由基準站通過數據鏈及時將其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衛星的載波相位與來自基準站的載波相位，並組成相位差分觀測值進行及時處理，能及時給出厘米級的定位結果。

實現載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法與差分法。前者和偽距差分相同，基準站把載波相位修正量傳送給用戶站，以改正其載波相位，之後求解坐標。後者把基準站採集的載波相位傳送給 用戶台進行求差解算坐標。前者是準RTK技術，後者為真正的RTK技術

單站GPS的差分

1. 位置差分原理

2. 偽距差分原理

在基準站上的接收機要求得它至可見衛星的距離，並將此計算出的距離與含有誤差的測量值加以比較。利用一個α-β濾波器將此差值濾波並求出其偏差。然後將所有衛星的測距誤差傳輸給用戶。

3. 載波相位差分原理

載波相位差分技術又稱為RTK技術（real time kinematics），是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的。它能實時提供觀測點的三維坐標，並達到厘米級的高精度。

局部區域系統

局部區域GPS差分系統：

局域差分（LADGPS）是在局部區域內布設一個GPS差分網，網內由若干個差分GPS基準站組成，通常還包含至少1個監控站。處於該局域內的用戶可根據多個基準站提供的改正信息，經平差後求得自己的改正數。它的作用距離一般在200~300km內，如我國沿海建設的信標差分網。

局域差分GPS技術通常採用加權平均法或最小方差法對來自多個基準站的改正信息進行平差，求出自己的坐標改正數或距離改正數。

廣域差分

廣域差分（Wide Area DGPS,WADGPS）技術的基本思想是對GPS觀測量的誤差源加以區分，並對每一個誤差源分別加以"模型化"，然後將計算出來的每一個誤差源的誤差修正值（差分改正值），通過數據通訊鏈傳輸給用戶，對用戶GPS接收機的觀測誤差加以改正，以達到削弱這些誤差源的影響，改善用戶GPS定位精度的目的。

廣域差分主要模型化以下三類GPS定位的誤差源：星曆誤差、大氣延時誤差、衛星鐘差誤差。

廣域差分GPS系統的工作流程：

1） 在已知的多個監測站上，跟蹤觀測GPS衛星的偽距、相位等信息；

2） 監測站將所接受的信息全部傳輸到中心站；

3） 中心站計算出三項誤差改正；

4） 將這些誤差改正用數據通訊鏈傳輸給用戶；

5） 用戶根據這些誤差改正自己觀測到的偽距、相位、星曆等信息，計算出高精度結果。

廣域差分GPS系統的特點：

1） 用戶的定位精度對空間距離的敏感程度比較小；

2） 投資少，經濟效益好；

3） 定位精度較高，且分布均勻；

4） 可擴展性好；

5） 技術複雜，維護費用高；可靠性及安全性稍差。

載波相位

載波相位差分原理：

測地型接收機利用GPS衛星載波相位進行的靜態基線測量獲得了很高的精度（10-6～10-8）。 但為了可靠地求解出相位模糊度，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中的套用。於是探求快速測量的方法應運而生。例如，採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，採用準動態（stop and go），往返重複設站（re-occupation）和動（kinematic） 來提高GPS作業效率。這些技術的套用對推動精密GPS測量起了促進作用。但是，上述這些作業方式都是事後進行數據處理， 不能實時提交成果和實時評定成果質量，很難避免出現事後檢查不合格造成的返工現象。

差分GPS的出現，能實時給定載體的位置，精度為米級，滿足了引航、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用於各種作業中。隨之而來的是更加精密的測量技術 — 載波相位差分技術。

載波相位差分技術又稱為RTK技術（real time kinematic），是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的。它能實時提供觀測點的三維坐標，並達到厘米級的高精度。

與偽距差分原理相同，由基準站通過數據鏈實時將其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衛星的載波相位 與來自基準站的載波相位，並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。

實現載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法和差分法。前者與偽距差分相同，基準站將載波相位修正量傳送給用戶站，以改正其載波相位，然後求解坐標。後者將基準站採集的載波相位傳送給 用戶台進行求差解算坐標。前者為準RTK技術，後者為真正的RTK技術。