衛(wèi)星定位差分技術

一.差分GPS定位技術發(fā)展概況 　

　　差分技術很早就被人們所應用。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。其目的在于消除公共項，包括公共誤差和公共參數(shù)。

　　隨著GPS技術的發(fā)展和完善，應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。它使用一臺GPS基準接收機和一臺用戶接收機，利用實時或事后處理技術，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，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技術就顯得越來越重要。

　　GPS定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時間等觀測量來實現(xiàn)的，同時還必須知道用戶鐘差。因此，要獲得地面點的三維坐標，必須對4顆衛(wèi)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(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、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，除第三部分誤差無法消除外，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，其主要取決于基準接收機和用戶接收機的距離。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定位技術在最近幾年中得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。

二．差分GPS定位原理

　　根據(jù)差分GPS基準站發(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，即都是由基準站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并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，發(fā)送改正數(shù)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(tǒng)。

　　安裝在基準站上的GPS接收機觀測4顆衛(wèi)星后便可進行三維定位，解算出基準站的坐標。由于存在著軌道誤差、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(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對其解算的用戶站坐標進行改正。

　　最后得到的改正后的用戶坐標已消去了基準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站和用戶站觀測同一組衛(wèi)星的情況。位置差分法適用于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接收機均采用這種技術。國際海事 無線電委員會推薦的RTCM SC－104也采用了這種技術。

　　在基準站上的接收機要先計算出它至可見衛(wèi)星的精確距離，然后將此距離與含有誤差的測量值加以比較，利用一個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。最后，用戶利用改正后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(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(wèi)星載波相位進行的靜態(tài)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(yè)中的應用。于是探求快速測量的方法應運而生。例如，采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，采用準動態(tài)（stop and go），往返重復設站（re－occupation）和動態(tài)（kinematic） 來提高GPS作業(yè)效率。這些技術的應用對推動精密GPS測量起了促進作用。但是，上述這些作業(yè)方式都是事后進行數(shù)據(jù)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(xiàn)事后檢查不合格造成的返工現(xiàn)象。

　　差分GPS的出現(xiàn)，能實時給定載體的位置，精度為米級，滿足了導航、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于各種作業(yè)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，并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(shù)據(jù)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(wèi)星的載波相位 及來自基準站的載波相位，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(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。后者將基準站采集的載波相位發(fā)送給 用戶臺進行求差解算坐標。前者為準RTK技術，后者為真正的RTK技術。

三．后差分技術以及在“GPS/GSM

車輛報警定位調度系統(tǒng)”中的應用

　　廈門雅迅網(wǎng)絡公司研發(fā)的“GPS/GSM車輛報警定位調度系統(tǒng)”是通過GSM網(wǎng)來傳送GPS數(shù)據(jù)。由于GSM系統(tǒng)不具備廣播功能，無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。通過一系列的測試，該系統(tǒng)選擇了定位精度較高，技術上又切實可行的偽距差分方案。將移動臺的GPS數(shù)據(jù)及差分基準站的GPS數(shù)據(jù)同時送到中心進行二次差分來抵消公共誤差部分，提高其定位精度。

　　由于這種相關性是隨距離而減弱的，因此定位精度也隨移動臺離基準站的距離而降低。要保證達到一定的精度，該距離不能過長，一般40km為限。 采用后差分技術處理的“GPS/GSM車輛報警定位調度系統(tǒng)”已在全國很多城市安裝并投入使用，經過測試及實踐認證，經過后差分處理，GPS的定位精度已經能達到5米以內。





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