陳櫻婷 王峰 劉浩成

摘要：全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）為人類導航定位提供了巨大的便利，特別是美國的全球定位系統(tǒng)GPS。GPS接收機由于受到電離層延時、對流層延時、衛(wèi)星時鐘偏差、衛(wèi)星時鐘頻率漂移、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)，實現(xiàn)了亞米級、甚至厘米級的定位精度。因此，對差分GPS定位技術的原理和應用進行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：全球導航系統(tǒng)；誤差；差分GPS；定位精度

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）25-5842-02

1 差分GPS定位技術的原理

GPS是一種高精度衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)[1]。在實驗期間，它能給出高精度的定位結果。此時盡管有人提出利用差分技術來進一步提高定位精度，但由于用戶要求還不迫切，所以這一技術發(fā)展較慢。然而，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。衛(wèi)星差分導航系統(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]，最普遍的結構由參考站、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡和移動站三部分組成。由圖1[3]可知，差分GPS定位技術的基本原理為：事先經(jīng)過精確測量定位的參考基站利用高質量的衛(wèi)星接收機，估算每一顆衛(wèi)星測量中緩慢變化的各種誤差分量，形成對可見衛(wèi)星的測量修正，再通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡廣播給附近的移動用戶，這樣就可以得到比單點定位更高的精度。

圖1 差分GPS工作原理

2 差分GPS定位技術的方法

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，利用測站間誤差具有時空強相關性原理，根據(jù)已知位置信息和GPS觀測數(shù)據(jù)生成差分改正信息，通過無線通訊鏈路實時播發(fā)給移動站。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。如果基站和移動用戶的距離在10公里以內，基于碼相位的差分可以實現(xiàn)亞米級定位精度[3]?；诖a相位的差分除了系統(tǒng)比較簡單以外，還有一個好處：由于它只需要傳輸每一顆衛(wèi)星偽距離的標量修正，而且標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)絡資源。由于偽距容易受到多徑的影響，使得復雜環(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，通常稱為實時動態(tài)（RTK）技術，其測量衛(wèi)星信號從導航衛(wèi)星到參考基站的相位變化，達到百分之幾的載波波長的精度，通常為厘米級精度。但高精度的實時動態(tài)系統(tǒng)有兩個主要缺點：1） 由于計算整數(shù)模糊度需要載波相位的測量和傳輸，載波相位是每一時刻快速變化的量，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)模糊度需要比較長的時間，通常在靜態(tài)的用戶需要幾分鐘甚至幾十分鐘的時間。因此實時動態(tài)系統(tǒng)在高動態(tài)下確定整數(shù)模糊度就更加困難。

廣域差分系統(tǒng)是利用服務區(qū)內的參考站網(wǎng)監(jiān)測可見GPS衛(wèi)星，計算每一顆衛(wèi)星的矢量修正[6]。矢量修正包括衛(wèi)星時鐘修正、衛(wèi)星位置的三個坐標的修正、以及格點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國家甚至地球的區(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)是美國航空航天局部署的廣域增強系統(tǒng)（WAAS/SBAS）[7]。用戶接收機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，一般民用場合難以承受；而且域增強系統(tǒng)的建設，需要由國家級部門牽頭統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)調，一般的地區(qū)行業(yè)無法完成[4]。

網(wǎng)絡差分技術[5]是GPS理論發(fā)展與現(xiàn)代通信技術結合的產(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獲得均勻、高精度和可靠的定位結果。國外目前比較成熟的網(wǎng)絡差分技術有VRS（虛擬參考站）技術、FKP（區(qū)域改正數(shù)）技術和MAC（主輔站）技術。在國內，網(wǎng)絡差分技術也取得了一些成果：武漢大學提出了一種網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)誤差改正模型——綜合誤差內插技術（CBI）；東南大學采用GPRS（通用分組無線業(yè)務）與Internet無縫鏈接技術集成GPS模塊，開發(fā)了網(wǎng)絡差分移動站終端等。但總的來說，國內的網(wǎng)絡差分技術與國外的差距還比較大。

3 差分GPS定位技術的傳輸協(xié)議[5]

網(wǎng)絡差分系統(tǒng)中差分改正信息的生成是系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術之一，而網(wǎng)絡差分系統(tǒng)必須發(fā)布符合標準協(xié)議的差分改正信息，以適于各個不同的接收機。常用的GPS差分協(xié)議主要包括以下幾種：

1） RTCM差分協(xié)議：國際海運事業(yè)無線電技術委員會（RTCM）為全球應用差分GPS業(yè)務制定了RTCM SC—104差分電文標準協(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)的技術要求，航空無線電技術委員會（RTCA）制定了RTCA SC—159差分電文標準協(xié)議。

3） 專門用于實時動態(tài)定位的CMR差分協(xié)議：由于近幾年來，實時動態(tài)載波相位差分技術的出現(xiàn)，美國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標準協(xié)議。但是由于現(xiàn)代定位技術的不斷發(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)了擴展差分協(xié)議。如德國的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++的基礎上，制定了RTCM-Adv差分協(xié)議等。

4 差分GPS定位技術的應用現(xiàn)狀

在當今信息社會中，交通運輸?shù)暮侠碚{度和管制對于生產(chǎn)和人的生活有著很重要的作用。自GPS問世以來，許多應用需要很高的精度。例如對警車、消防車等的定位，必須具有足夠的精度，不能誤導其位置到其他的街道，這時就需要采用差分GPS技術，進而提高用車的使用效率。此外，差分GPS在水下地形測繪，大比例尺測圖，海洋石油勘探和定位，航空攝影，飛機精密進場和船舶機動性能測定，農(nóng)業(yè)領域和載體姿態(tài)測定中必不可少[8]。

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

同時，隨著智能交通特別是車聯(lián)網(wǎng)技術與產(chǎn)業(yè)的興起，完全可實現(xiàn)在信息網(wǎng)絡平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態(tài)信息進行提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對所有車輛的運行狀態(tài)進行有效的監(jiān)管和提供綜合服務的系統(tǒng)。因此，我們可以將差分GPS定位技術應用到車輛導航中，提高車輛導航的定位精度，進而實現(xiàn)精確到厘米級的車道間的定位。

最近，美國高速公路安全管理局提出了V2V（vehicle to vehicle）技術，也就是讓汽車之間建立聯(lián)系。該技術系統(tǒng)將綜合使用GPS、雷達以及攝像頭技術，當發(fā)現(xiàn)迎面駛來汽車時，及時將它的行駛軌跡預報給司機，從而使司機避開前方車輛。系統(tǒng)還會在兩車之間進行通信，以避免在路口發(fā)生交通事故。因此，如果V2V技術不采用傳統(tǒng)的GPS技術而采用差分GPS定位技術的話，將使車輛的定位精度更高，使得V2V技術在交叉路口等事故多發(fā)地的預報更加精準，盡量降低交通事故的發(fā)生。對車輛加入差分定位技術，還可以實現(xiàn)停車場的智能停車管理，也可以應用在交警部門對路邊違規(guī)停車車輛的查詢上。當交警部門通過網(wǎng)絡查詢到某地出現(xiàn)違規(guī)停車時，可以立馬調動人手進行開罰單處理，提高了交警部門的執(zhí)勤效率，同時也可以有力整頓路邊違規(guī)停車的情況。由于網(wǎng)絡差分技術可以帶來高達厘米級的定位精度，故差分GPS定位技術同樣也可以應用在電纜監(jiān)測、高鐵橋梁和路基結構健康實時監(jiān)測。

5 結束語

GPS導航定位技術的日益普及已深深地影響和改變人們的生活，但傳統(tǒng)的GPS定位技術由于受到各種測量誤差的影響，其定位精度已不能滿足當前的需求。減少GPS測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測量誤差，故研究差分GPS定位技術的原理和應用具有重要的現(xiàn)實意義。同時，由于差分GPS定位技術的不斷成熟，其應用已逐漸滲入到人們的日常生活中。因此，更進一步地拓展差分GPS定位技術在各行各業(yè)中的應用將是未來的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1] Elliot D. Kaplan and Christopher J. Hegarty，Understanding GPS： Principles and Applications[M]. Second Edition，Artech House，Inc.，2006. ISBN 978-7-121-17602-9.

[2] Parkinson，Bradford W. （EDT）/ Spilker， James J. （EDT），Global Positioning System： Theory and Applications[M]， AIAA （American Institute of Aeronautics & Ast ）， 1996. ISBN 9781563471063.

[3] 謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：7.

[4] 潘樹國.基于VRS的GPS多基站網(wǎng)絡差分技術研究與實現(xiàn)[D]. 南京：東南大學，2007-06-04.

[5] 毛薇.多參考站GPS網(wǎng)絡差分信息服務系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].南京：東南大學，2008-03-09.

[6] Kee，C.，B. W.Parkinson，and P. Axelrad，Wide Area Differential GPS[J].NAVIGATION：Journal of The Institute of Navigation，1991，9，38（2）：123-145.

[7] RTCA，Inc.，Minimum Operation Standards for Global Positioning System / Wide Area Augmentation Syatem Airborne Equipment[S].RTCA DO-229D，Washington，D.c.，December 13，2006.

[8] 袁翠.差分GPS算法及仿真研究[D].大連：大連海事大學，2007，3.