差分GPS定位原理

它使用一臺(tái) GPS基準(zhǔn)接收機(jī)(基準(zhǔn)站)和一臺(tái)用戶接收機(jī)(移動(dòng)站)，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 —衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、大氣延時(shí)、多路徑效應(yīng)。特別提出的是，當(dāng)GPS工作衛(wèi)星升空時(shí)，美國(guó)政府實(shí)行了SA政策。使衛(wèi)星的軌道參數(shù)增加了很大的誤差，致使一些對(duì)定位精度要求稍高的用戶得不到滿足。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)值來(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)，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，第三部分誤差則無(wú)法消除。

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、偽距差分和載波相位差分。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)送修正數(shù)據(jù)，由用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送修正數(shù)據(jù)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。基準(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(DGPS)

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)要求得它至可見(jiàn)衛(wèi)星的距離，并將此計(jì)算出的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。利用偽距差分方法，定位精度可達(dá)到亞米級(jí)。

3. 載波相位差分原理(RTK)

載波相位差分技術(shù)又稱之為RTK技術(shù)（real time kinematic），是建立在及時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。載波相位差分技術(shù)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)鏈及時(shí)將其載波觀測(cè)值及基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行及時(shí)處理，能及時(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：修正法與差分法。前者和偽距差分相同，基準(zhǔn)站把載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，之后求解坐標(biāo)。后者把基準(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)。前者是準(zhǔn)RTK技術(shù)，后者為真正的RTK技術(shù)。