差分GPS定位技術(shù)的原理和應(yīng)用研究

陳櫻婷 王峰 劉浩成

摘要：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）為人類導(dǎo)航定位提供了巨大的便利，特別是美國(guó)的全球定位系統(tǒng)GPS。GPS接收機(jī)由于受到電離層延時(shí)、對(duì)流層延時(shí)、衛(wèi)星時(shí)鐘偏差、衛(wèi)星時(shí)鐘頻率漂移、衛(wèi)星星歷偏差、多徑誤差等影響，定位精度在最優(yōu)情況下只能達(dá)到7-10米。為了提高定位精度，出現(xiàn)了差分GPS定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了亞米級(jí)、甚至厘米級(jí)的定位精度。因此，對(duì)差分GPS定位技術(shù)的原理和應(yīng)用進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：全球?qū)Ш较到y(tǒng)；誤差；差分GPS；定位精度

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）25-5842-02

1 差分GPS定位技術(shù)的原理

GPS是一種高精度衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。在實(shí)驗(yàn)期間，它能給出高精度的定位結(jié)果。此時(shí)盡管有人提出利用差分技術(shù)來進(jìn)一步提高定位精度，但由于用戶要求還不迫切，所以這一技術(shù)發(fā)展較慢。然而，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)絹碓街匾暲貌罘諫PS技術(shù)來改善定位性能。衛(wèi)星差分導(dǎo)航系統(tǒng)可以極大地提高衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精度和定位完整性[2]，最普遍的結(jié)構(gòu)由參考站、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)站三部分組成。由圖1[3]可知，差分GPS定位技術(shù)的基本原理為：事先經(jīng)過精確測(cè)量定位的參考基站利用高質(zhì)量的衛(wèi)星接收機(jī)，估算每一顆衛(wèi)星測(cè)量中緩慢變化的各種誤差分量，形成對(duì)可見衛(wèi)星的測(cè)量修正，再通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)廣播給附近的移動(dòng)用戶，這樣就可以得到比單點(diǎn)定位更高的精度。

圖1 差分GPS工作原理

2 差分GPS定位技術(shù)的方法

衛(wèi)星差分定位有很多不同的方法，它們大體可以分為局域差分系統(tǒng)、廣域差分系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng) [4-5]。

大部分局域差分系統(tǒng)使用單參考站，利用測(cè)站間誤差具有時(shí)空強(qiáng)相關(guān)性原理，根據(jù)已知位置信息和GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)生成差分改正信息，通過無線通訊鏈路實(shí)時(shí)播發(fā)給移動(dòng)站。局域差分一般可分為基于碼相位的差分（包括位置差分和偽距離差分）和基于載波相位的差分。如果基站和移動(dòng)用戶的距離在10公里以內(nèi)，基于碼相位的差分可以實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位精度[3]?；诖a相位的差分除了系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單以外，還有一個(gè)好處：由于它只需要傳輸每一顆衛(wèi)星偽距離的標(biāo)量修正，而且標(biāo)量修正是緩慢變化的，系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。由于偽距容易受到多徑的影響，使得復(fù)雜環(huán)境下的定位精度變差，甚至失效。載波相位差分是一種高精度定位模式，通常稱為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）技術(shù)，其測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)從導(dǎo)航衛(wèi)星到參考基站的相位變化，達(dá)到百分之幾的載波波長(zhǎng)的精度，通常為厘米級(jí)精度。但高精度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：1） 由于計(jì)算整數(shù)模糊度需要載波相位的測(cè)量和傳輸，載波相位是每一時(shí)刻快速變化的量，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量比基于碼相位的差分系統(tǒng)要高很多；2） 確定整數(shù)模糊度需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，通常在靜態(tài)的用戶需要幾分鐘甚至幾十分鐘的時(shí)間。因此實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)下確定整數(shù)模糊度就更加困難。

廣域差分系統(tǒng)是利用服務(wù)區(qū)內(nèi)的參考站網(wǎng)監(jiān)測(cè)可見GPS衛(wèi)星，計(jì)算每一顆衛(wèi)星的矢量修正[6]。矢量修正包括衛(wèi)星時(shí)鐘修正、衛(wèi)星位置的三個(gè)坐標(biāo)的修正、以及格點(diǎn)化的電離層延遲參數(shù)。廣域差分系統(tǒng)的精度和局域差分接近，但它可以覆蓋到整個(gè)國(guó)家甚至地球的區(qū)域，而且它比覆蓋同樣面積的局域網(wǎng)構(gòu)建使用更少的參考站。目前覆蓋范圍最廣的廣域差分系統(tǒng)是美國(guó)航空航天局部署的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS/SBAS）[7]。用戶接收機(jī)的基帶芯片只有配備用于處理SBAS信息的通道，衛(wèi)星通訊使用成本昂貴，一般民用場(chǎng)合難以承受；而且域增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)，需要由國(guó)家級(jí)部門牽頭統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)調(diào)，一般的地區(qū)行業(yè)無法完成[4]。

網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)[5]是GPS理論發(fā)展與現(xiàn)代通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，能夠克服常規(guī)差分方法存在的缺陷，使用戶更便捷地在較大空間范圍內(nèi)獲得均勻、高精度和可靠的定位結(jié)果。國(guó)外目前比較成熟的網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)有VRS（虛擬參考站）技術(shù)、FKP（區(qū)域改正數(shù)）技術(shù)和MAC（主輔站）技術(shù)。在國(guó)內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)也取得了一些成果：武漢大學(xué)提出了一種網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)誤差改正模型——綜合誤差內(nèi)插技術(shù)（CBI）；東南大學(xué)采用GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）與Internet無縫鏈接技術(shù)集成GPS模塊，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)差分移動(dòng)站終端等。但總的來說，國(guó)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)與國(guó)外的差距還比較大。

3 差分GPS定位技術(shù)的傳輸協(xié)議[5]

網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)中差分改正信息的生成是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)必須發(fā)布符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的差分改正信息，以適于各個(gè)不同的接收機(jī)。常用的GPS差分協(xié)議主要包括以下幾種：

1） RTCM差分協(xié)議：國(guó)際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(huì)（RTCM）為全球應(yīng)用差分GPS業(yè)務(wù)制定了RTCM SC—104差分電文標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

2） RTCA差分協(xié)議：為了滿足局域差分系統(tǒng)和廣域差分系統(tǒng)的技術(shù)要求，航空無線電技術(shù)委員會(huì)（RTCA）制定了RTCA SC—159差分電文標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

3） 專門用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的CMR差分協(xié)議：由于近幾年來，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)的出現(xiàn)，美國(guó)Trimble公司制定了專門用于RTK的CMR差分協(xié)議。

以上三種差分協(xié)議中，使用最廣泛的是RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。但是由于現(xiàn)代定位技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的差分協(xié)議并不能完全滿足它們的需求，出現(xiàn)了擴(kuò)展差分協(xié)議。如德國(guó)的GEO++組織為了提高定位精度和減少數(shù)據(jù)發(fā)送量提出了RTCM++協(xié)議；另外，為了傳輸區(qū)域改正數(shù)，GEO++組織在RTCM++的基礎(chǔ)上，制定了RTCM-Adv差分協(xié)議等。

4 差分GPS定位技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在當(dāng)今信息社會(huì)中，交通運(yùn)輸?shù)暮侠碚{(diào)度和管制對(duì)于生產(chǎn)和人的生活有著很重要的作用。自GPS問世以來，許多應(yīng)用需要很高的精度。例如對(duì)警車、消防車等的定位，必須具有足夠的精度，不能誤導(dǎo)其位置到其他的街道，這時(shí)就需要采用差分GPS技術(shù)，進(jìn)而提高用車的使用效率。此外，差分GPS在水下地形測(cè)繪，大比例尺測(cè)圖，海洋石油勘探和定位，航空攝影，飛機(jī)精密進(jìn)場(chǎng)和船舶機(jī)動(dòng)性能測(cè)定，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和載體姿態(tài)測(cè)定中必不可少[8]。

隨著科技的不斷發(fā)展，智能手機(jī)等電子產(chǎn)物越來越離不開人們的日常生活。眾所周知，手機(jī)導(dǎo)航已存在了很多時(shí)間，同時(shí)也被人們廣泛使用。但是，目前的手機(jī)導(dǎo)航定位精度很差，越來越滿足不了人們的需求。然而，如果在手機(jī)導(dǎo)航定位中加入差分技術(shù)，則可以大大提高手機(jī)導(dǎo)航的精度，更方便人們的出行。

同時(shí)，隨著智能交通特別是車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的興起，完全可實(shí)現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上對(duì)所有車輛的屬性信息和靜、動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對(duì)所有車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)管和提供綜合服務(wù)的系統(tǒng)。因此，我們可以將差分GPS定位技術(shù)應(yīng)用到車輛導(dǎo)航中，提高車輛導(dǎo)航的定位精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確到厘米級(jí)的車道間的定位。

最近，美國(guó)高速公路安全管理局提出了V2V（vehicle to vehicle）技術(shù)，也就是讓汽車之間建立聯(lián)系。該技術(shù)系統(tǒng)將綜合使用GPS、雷達(dá)以及攝像頭技術(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)迎面駛來汽車時(shí)，及時(shí)將它的行駛軌跡預(yù)報(bào)給司機(jī)，從而使司機(jī)避開前方車輛。系統(tǒng)還會(huì)在兩車之間進(jìn)行通信，以避免在路口發(fā)生交通事故。因此，如果V2V技術(shù)不采用傳統(tǒng)的GPS技術(shù)而采用差分GPS定位技術(shù)的話，將使車輛的定位精度更高，使得V2V技術(shù)在交叉路口等事故多發(fā)地的預(yù)報(bào)更加精準(zhǔn)，盡量降低交通事故的發(fā)生。對(duì)車輛加入差分定位技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)的智能停車管理，也可以應(yīng)用在交警部門對(duì)路邊違規(guī)停車車輛的查詢上。當(dāng)交警部門通過網(wǎng)絡(luò)查詢到某地出現(xiàn)違規(guī)停車時(shí)，可以立馬調(diào)動(dòng)人手進(jìn)行開罰單處理，提高了交警部門的執(zhí)勤效率，同時(shí)也可以有力整頓路邊違規(guī)停車的情況。由于網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)可以帶來高達(dá)厘米級(jí)的定位精度，故差分GPS定位技術(shù)同樣也可以應(yīng)用在電纜監(jiān)測(cè)、高鐵橋梁和路基結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)束語

GPS導(dǎo)航定位技術(shù)的日益普及已深深地影響和改變?nèi)藗兊纳?，但傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)由于受到各種測(cè)量誤差的影響，其定位精度已不能滿足當(dāng)前的需求。減少GPS測(cè)量誤差顯然能提高其定位精度，而差分GPS可以有效地降低甚至消除各種GPS測(cè)量誤差，故研究差分GPS定位技術(shù)的原理和應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，由于差分GPS定位技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用已逐漸滲入到人們的日常生活中。因此，更進(jìn)一步地拓展差分GPS定位技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用將是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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