衛(wèi)星定位差分技術(shù)

一.差分GPS定位技術(shù)發(fā)展概況 　

　　差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。它實(shí)際上是在一個(gè)測(cè)站對(duì)兩個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量、兩個(gè)測(cè)站對(duì)一個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量或一個(gè)測(cè)站對(duì)一個(gè)目標(biāo)的兩次觀測(cè)量之間進(jìn)行求差。其目的在于消除公共項(xiàng)，包括公共誤差和公共參數(shù)。

　　隨著GPS技術(shù)的發(fā)展和完善，應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步開拓，人們?cè)絹?lái)越重視利用差分GPS技術(shù)來(lái)改善定位性能。它使用一臺(tái)GPS基準(zhǔn)接收機(jī)和一臺(tái)用戶接收機(jī)，利用實(shí)時(shí)或事后處理技術(shù)，就可以使用戶測(cè)量時(shí)消去公共的誤差源——電離層和對(duì)流層效應(yīng)，并能將衛(wèi)星鐘誤差和星歷誤差消除，因此，現(xiàn)在發(fā)展差分GPS技術(shù)就顯得越來(lái)越重要。

　　GPS定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間等觀測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還必須知道用戶鐘差。因此，要獲得地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須對(duì)4顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量。在這一定位過(guò)程中，存在著三部分誤差。一部分是對(duì)每一個(gè)用戶接收機(jī)所公有的，例如，衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差等；第二部分為不能由用戶測(cè)量或由校正模型來(lái)計(jì)算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。

　　利用差分技術(shù)，除第三部分誤差無(wú)法消除外，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，其主要取決于基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)的距離。差分GPS定位已將衛(wèi)星鐘誤差和星歷誤差消除，并將電離層延遲和對(duì)流層延遲誤差部分消除，定位精度大大提高。所以，差分GPS定位技術(shù)在最近幾年中得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

二．差分GPS定位原理

　　根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)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(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)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(jiǎn)單的差分方法，任何一種GPS接收機(jī)均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。

　　安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測(cè)4顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。由于存在著軌道誤差、時(shí)鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的， 存在誤差�；鶞�(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對(duì)其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。

　　最后得到的改正后的用戶坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差，例如衛(wèi)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(zhǔn)站和用戶站觀測(cè)同一組衛(wèi)星的情況。位置差分法適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在100km以內(nèi)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(shù)。幾乎所有的商用差分GPS接收機(jī)均采用這種技術(shù)。國(guó)際海事 無(wú)線電委員會(huì)推薦的RTCM SC－104也采用了這種技術(shù)。

　　在基準(zhǔn)站上的接收機(jī)要先計(jì)算出它至可見衛(wèi)星的精確距離，然后將此距離與含有誤差的測(cè)量值加以比較，利用一個(gè)α－β濾波器將此差值濾波并求出其偏差，然后將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸 給用戶。用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來(lái)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(zhǔn)站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有決定性影響。

　　3. 載波相位差分原理

　　測(cè)地型接收機(jī)利用GPS衛(wèi)星載波相位進(jìn)行的靜態(tài)基線測(cè)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(cè)一兩個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。這樣就限制了在工程作業(yè)中的應(yīng)用。于是探求快速測(cè)量的方法應(yīng)運(yùn)而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技術(shù)（FARA）使基線觀測(cè)時(shí)間縮短到5分鐘，采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)（stop and go），往返重復(fù)設(shè)站（re－occupation）和動(dòng)態(tài)（kinematic） 來(lái)提高GPS作業(yè)效率。這些技術(shù)的應(yīng)用對(duì)推動(dòng)精密GPS測(cè)量起了促進(jìn)作用。但是，上述這些作業(yè)方式都是事后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 不能實(shí)時(shí)提交成果和實(shí)時(shí)評(píng)定成果質(zhì)量，很難避免出現(xiàn)事后檢查不合格造成的返工現(xiàn)象。

　　差分GPS的出現(xiàn)，能實(shí)時(shí)給定載體的位置，精度為米級(jí)，滿足了導(dǎo)航、水下測(cè)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(shù)已成功地用于各種作業(yè)中。隨之而來(lái)的是更加精密的測(cè)量技術(shù)——載波相位差分技術(shù)。

　　載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)（real time kinematic），是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。

　　與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位 及來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。

　　實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，然后求解坐標(biāo)。后者將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給 用戶臺(tái)進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。前者為準(zhǔn)RTK技術(shù)，后者為真正的RTK技術(shù)。

三．后差分技術(shù)以及在“GPS/GSM

車輛報(bào)警定位調(diào)度系統(tǒng)”中的應(yīng)用

　　廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)公司研發(fā)的“GPS/GSM車輛報(bào)警定位調(diào)度系統(tǒng)”是通過(guò)GSM網(wǎng)來(lái)傳送GPS數(shù)據(jù)。由于GSM系統(tǒng)不具備廣播功能，無(wú)法采用一般的前向差分方案，因而使得后向差分方案的研制成為必要。通過(guò)一系列的測(cè)試，該系統(tǒng)選擇了定位精度較高，技術(shù)上又切實(shí)可行的偽距差分方案。將移動(dòng)臺(tái)的GPS數(shù)據(jù)及差分基準(zhǔn)站的GPS數(shù)據(jù)同時(shí)送到中心進(jìn)行二次差分來(lái)抵消公共誤差部分，提高其定位精度。

　　由于這種相關(guān)性是隨距離而減弱的，因此定位精度也隨移動(dòng)臺(tái)離基準(zhǔn)站的距離而降低。要保證達(dá)到一定的精度，該距離不能過(guò)長(zhǎng)，一般40km為限。 采用后差分技術(shù)處理的“GPS/GSM車輛報(bào)警定位調(diào)度系統(tǒng)”已在全國(guó)很多城市安裝并投入使用，經(jīng)過(guò)測(cè)試及實(shí)踐認(rèn)證，經(jīng)過(guò)后差分處理，GPS的定位精度已經(jīng)能達(dá)到5米以內(nèi)。





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