河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì) 樊之旭

GPS差分協(xié)議分析

河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì) 樊之旭

一、GPS系統(tǒng)的組成及發(fā)展

GPS系統(tǒng)是由美國(guó)國(guó)防部研制并實(shí)施的一項(xiàng)全天候、全球、星基的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位和授時(shí)系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。空間星座部分由24顆高度大約為20 000km、分布在6個(gè)軌道面上的衛(wèi)星組成。地面監(jiān)控部分主要由分布在全球的5個(gè)地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站、主控站和信息注入站。GPS衛(wèi)星以L波段頻率向地面發(fā)射調(diào)制偽隨機(jī)噪聲碼和廣播星歷的載波信號(hào)，用戶從接收的GPS信號(hào)中可以得到足夠的信息來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位和授時(shí)。近年來(lái)，隨著GPS儀器設(shè)備的不斷更新、成本的下降和定位算法的完善，GPS技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

二、GPS定位技術(shù)的原理

1.GPS定位技術(shù)分類。GPS定位通過(guò)快速測(cè)定衛(wèi)星和測(cè)站之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)。GPS技術(shù)誕生之日起，人們便開(kāi)始不斷提高GPS的定位精度和拓展GPS的應(yīng)用領(lǐng)域。GPS定位包括動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位和靜態(tài)絕對(duì)定位2種，觀測(cè)量是所測(cè)衛(wèi)星到觀測(cè)站的偽距，相應(yīng)的定位方法通常稱為偽距法。根據(jù)觀測(cè)量性質(zhì)的不同，偽距分為測(cè)碼偽距和測(cè)相偽距。偽距的測(cè)量精度受眾多誤差因素的影響，GPS觀測(cè)值包含有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。盡管一些系統(tǒng)誤差可以通過(guò)模型加以削弱，并且在2000年5月2日美國(guó)政府就已經(jīng)開(kāi)始使用SA政策，但其殘差仍然是不容忽略的，因此，目前開(kāi)展高精度的單點(diǎn)定位仍有一定難度。

2.差分GPS技術(shù)。為了提高GPS的實(shí)時(shí)定位精度，人們開(kāi)始做相對(duì)定位的研究，即差分GPS（Differential GPS）技術(shù)。差分GPS技術(shù)的出現(xiàn)，提高了標(biāo)準(zhǔn)GPS定位的精度，目前已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、精密工程測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)和精密導(dǎo)航等領(lǐng)域。差分GPS技術(shù)實(shí)際上是在1個(gè)測(cè)站對(duì)2個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量、2個(gè)測(cè)站對(duì)1個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量或者1個(gè)測(cè)站對(duì)1個(gè)目標(biāo)的2次觀測(cè)量之間進(jìn)行求差，其目的是消除公共項(xiàng)，包括公共誤差和公共參數(shù)。差分GPS定位系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)鏈和多個(gè)流動(dòng)站組成，基準(zhǔn)站的主要工作是連續(xù)接收GPS的導(dǎo)航信號(hào)，將測(cè)得的位置和距離的數(shù)據(jù)與已知的位置和距離的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并確定誤差，形成差分改正信息，得出準(zhǔn)確的改正值，利用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將差分改正信息發(fā)送給流動(dòng)站，用以改正用戶的定位結(jié)果。

3.流動(dòng)站接收機(jī)。流動(dòng)站接收機(jī)不僅接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)還接收基準(zhǔn)站發(fā)送來(lái)的信號(hào)，它們之間的紐帶就是數(shù)據(jù)鏈。具體說(shuō)，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間有4種方法實(shí)現(xiàn)傳輸：基準(zhǔn)站發(fā)播偽距改正數(shù)，在流動(dòng)站進(jìn)行差分處理；基準(zhǔn)站發(fā)播位置改正數(shù)，在流動(dòng)站進(jìn)行差分處理；用戶傳送粗測(cè)偽距值到基準(zhǔn)站，在基準(zhǔn)站進(jìn)行差分處理；用戶傳送未改正的位置數(shù)據(jù)到基準(zhǔn)站，在基準(zhǔn)站進(jìn)行差分處理。

三、差分GPS原理

根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送信息的方式可將差分GPS定位分為3類：位置差分、偽距差分和相位差分。

1.位置差分的原理。位置差分是一種最簡(jiǎn)單的差分方法，任何一種GPS接收機(jī)均可改裝或組成這種差分系統(tǒng)。安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)在觀測(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)也存在誤差?；鶞?zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將改正信息發(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。

2.偽距差分的原理。偽距差分目前用途最為廣泛，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)要求計(jì)算出它到可見(jiàn)衛(wèi)星的距離，把計(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)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解算出本身的位置，消去公共誤差，提高定位精度。

3.載波相位差分的原理。載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)（real time kinematic），它建立在實(shí)時(shí)處理2個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上，能夠?qū)崟r(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。

四、GPS差分協(xié)議以及不同協(xié)議間的比較

1.GPS差分協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈由通訊協(xié)議和硬件設(shè)備組成，硬件設(shè)備包括調(diào)制解調(diào)器和電臺(tái)等，其中最關(guān)鍵的是所使用的差分協(xié)議。任何信息的產(chǎn)生、存儲(chǔ)和交換都有一定的存在方式，這種存在方式就是協(xié)議。為了便于信息的交流，要求有一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議，這樣就產(chǎn)生了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。并且，差分GPS系統(tǒng)中的信息在全球傳播也需要標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來(lái)支持。

2.GPS差分協(xié)議組成。GPS差分協(xié)議主要包括：由海事無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)（RTCM）104專門(mén)委員會(huì)（SC-104）制定的RTCM SC-104差分協(xié)議，航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)（RTCA）159專門(mén)委員會(huì)（SC-159）制定的RTCM差分協(xié)議，Trimble（天寶）公司制定的CMR差分協(xié)議。目前商用較多的RTCM2.X、RTCM3.0、CMR+等協(xié)議都屬于以上3種協(xié)議的升級(jí)版本。國(guó)產(chǎn)商用GPS的廣播格式（差分協(xié)議）在起步階段基本都使用Trimble（天寶）公司的CMR差分協(xié)議，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及硬件的升級(jí)換代，逐漸出現(xiàn)了支持多種差分協(xié)議的情況。以國(guó)產(chǎn)的華測(cè)GPS接收機(jī)為例，其所支持的差分協(xié)議就有標(biāo)準(zhǔn)CMR、CMR+、RTCM2.X、RTCM2. X_NOCR、標(biāo)準(zhǔn)RTCA、RTCM3.0等，在不同的情況下，硬件可以實(shí)現(xiàn)在不同差分協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。

3.RTCM差分協(xié)議。為了在全球范圍推廣應(yīng)用差分GPS業(yè)務(wù)，國(guó)際海運(yùn)事業(yè)無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)（RTCM）于1983年11月設(shè)立了SC-104專門(mén)委員會(huì)，來(lái)論證用于提供差分GPS業(yè)務(wù)的各種方法，制定標(biāo)準(zhǔn)差分協(xié)議，并于1985年發(fā)表了Ver1.0版本的建議文件。經(jīng)過(guò)多年的不斷升級(jí)，RTCM的Ver3.0版本也適時(shí)推出，增加了用于傳輸網(wǎng)絡(luò)差分改正數(shù)的電文，克服了前幾代版本的不足，特別是針對(duì)精度問(wèn)題和數(shù)據(jù)傳輸量問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)。RTCM差分協(xié)議的每一種新版本都對(duì)數(shù)據(jù)協(xié)議有了新的需求，提高了差分改正數(shù)的抗差性能，增大了可用信息量，提高了定位精度。RTCM的Ver3.0是目前最穩(wěn)定的版本。

4.CMR差分協(xié)議。鑒于RTCM協(xié)議的電文格式已經(jīng)固定，在相同條件下發(fā)送的數(shù)據(jù)量也是相同的，為了減少數(shù)據(jù)量傳輸要求有一種新的差分協(xié)議，Trimble（天寶）公司于1993年提出了一種新的GPS差分協(xié)議——CMR。CMR格式的電文碼發(fā)送率只有RTCM的一半，RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議要求帶寬必須高于4 800b/s，而CMR使用2 400b/s就足夠了。再加上Trimble（天寶）公司在行業(yè)中所處的地位，因此CMR協(xié)議迅速得到推廣和應(yīng)用。

5.LADGPS系統(tǒng)和WAAS系統(tǒng)。為了滿足空中用戶對(duì)GPS應(yīng)用提出的要求，美國(guó)聯(lián)邦航空局FAA開(kāi)發(fā)了LADGPS系統(tǒng)和WAAS系統(tǒng)。隨之也相應(yīng)產(chǎn)生了RTCA SC-159 GPS差分協(xié)議，用以傳輸差分改正數(shù)。其第1類專用協(xié)議于1993年4月公布，基本與Trimble（天寶）的CMR協(xié)議同時(shí)推出。RTCA對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件有較強(qiáng)的適應(yīng)性，內(nèi)容也比較豐富，且屬于高精度的廣域差分系統(tǒng)，可以使用戶的定位精度不受距離的限制。

6.RTK技術(shù)應(yīng)用。RTCM和CMR都能應(yīng)用于RTK技術(shù)，特別是CMR，Trimble（天寶）公司制定CMR的目的就是為了更好地應(yīng)用于RTK技術(shù)。2種差分協(xié)議都發(fā)送給用戶包含了原始觀測(cè)值信息的電文，故用戶的定位計(jì)算方法不會(huì)因使用的協(xié)議的不同而不相同，但可能會(huì)根據(jù)不同的廠家而采用不同的定位方法。二者都屬于局域差分系統(tǒng)，定位的精度和流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的距離有關(guān)，距離越近精度越高。

五、GPS差分技術(shù)的未來(lái)

差分GPS經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，其優(yōu)越性越來(lái)越為人們所重視，技術(shù)上也更加成熟，許多省份已經(jīng)建立了差分GPS系統(tǒng)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。我們相信隨著GPS差分技術(shù)的日臻完善，GPS差分定位的精度與效率都會(huì)越來(lái)越高。