差分GPS技术：提高定位精度的有效方法

GPS系统提供的定位精度是优于25 m，而为得到更高的定位精度，通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。精确定位服务（PPS）将提供水平为17.8 m（2 dRMS）和垂直为 27.7 m的预测定位精度，三维中的每维为0.2 m/s的速度精度，90 ns的时间精度。精确定位服务（PPS）采用P码调制双频发射和接收。它仅提供于美国和其盟国的军事、联邦政府的用户及有限获准的民用用户。

图3-4-1 差分GPS

标准定位服务（SPS）采用C/A码调制、单频发射和接收。它公开提供于民用、商用和其他用户。尽管标准定位服务（SPS）可提供优于30 m（2 dRMS）的定位精度，但出于美国国家的利益，美国国防部人为地引入选择可用性（SA）使其水平定位精度降低至100 m（2 dRMS），垂直定位精度为156 m，时间精度为175 ns。

由于精确定位服务（PPS）不公开提供，而标准定位服务（SPS）又人为地降低了定位精度，致使需要高精度定位的民用用户使用差分技术，提高标准定位服务（SPS）的定位精度，从而形成了差分全球定位系统，简称DGPS。DGPS简单的工作原理是：把已知的测定点作为差分基准点，在差分基准站安装基准GPS接收机，并用GPS接收机连续地接收GPS信号，经处理，与基准站的已知位置进行比对，求解出实时差分修正值，以广播或数据链传输方式，将差分修正值传送至附近GPS用户，以修正其GPS定位解，提高其局部范围内用户的定位精度。如图3-4-2所示。

图3-4-2 精确定位服务

差分GPS原理

差分技术很早就被人们所应用。它实际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。其目的在于消除公共项，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。图3-4-3和图3-4-4是两种差分原理。

图3-4-3 差分原理（1）

图3-4-4 差分原理（2）

GPS是一种高精度卫星定位导航系统。在实验期间，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。它使用一台 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，就可以使用户测量时消去公共的误差源——电离层和对流层效应。特别提出的是，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、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。

在这一定位过程中，存在着三部分误差。第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；第二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除，第二部分误差大部分可以消除，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除。

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 15 m 降至100 m。在这种情况下，利用差分技术能消除这一部分误差，更显示出差分GPS的优越性。根据差分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、伪距差分和相位差分。这三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（图3-4-5）。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。

图3-4-5 差分GPS定位(www.xing528.com)

位置差分原理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。

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 100 km以内的情况。

任何一种GPS接收机均可改装成差分系统。而其缺点是主要是：第一个缺点，要求准基站与用户必须保持观测同一组卫星，由于准基站与用户站接收机的配备可能不全相同，且两站观测环境也不完全相同，因此难以保证两站观测同一组卫星，产生的误差可能会不匹配，从而影响定位精度。第二个缺点，坐标差分定位效果不如以下介绍的伪距差分好。

1. 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。

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。

2. 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。可是为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止查看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。所以探求快速测量的方法应运而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技术（FARA）使基线观测时间收缩到5分钟，采用准动态（stop and go），往返重复设站（re-occupation）与动态（kinematic）来升高GPS作业效率。这些技术的运用对推动精密GPS测量起了促进作用。但是，上述这一些作业方式都是事后进行数据处理，不能及时提交成果和实时评定成果质量，很难防止出现事后检查不合格造成的返工现象。

差分GPS的出现，能实时给定载体的地点，精度是米级，满足了引航和水下测量等工程的要求。位置差分与伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已顺利地用于各种作业中。随之而来的是特别精密的测量技术——载波相位差分技术。

载波相位差分技术又称之为 RTK 技术（Real Time Kinematic），是建立在及时处理两个测站的载波相位基础上的。载波相位差分技术能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。

与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链及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卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行及时处理，能及时给出厘米级的定位结果。

由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100 m提高到10 m，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。