[科普中国]-差分GPS

差分GPS（differential GPS-DGPS，DGPS）是首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户（GPS导航仪），对用户的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度。

分类根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。

差分GPS (DGPS)是在正常的GPS外附加(差分)修正信号，此改正信号改善了GPS的精度。

这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

原理位置差分原理这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。

安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的， 存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。

最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、 SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。

伪距差分原理伪距差分是用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。

在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值 加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置， 就可消去公共误差，提高定位精度。

与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又 出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。

载波相位差分原理测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度（10-6～10-8）。但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间。这样就限制了在工程作业中的应用。于是探求快速测量的方法应运而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技术（FARA）使基线观测 时间缩短到5分钟，采用准动态（stop and go），往返重复设站（re-occupation）和动态（kinematic）来提高GPS作业效率。这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理， 不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。

差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、 伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术— 载波相位差分技术。

载波相位差分技术又称为RTK技术（real time kinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。

与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位 与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。

实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给 用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。1

算法GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量和用户钟差来实现的。要获得地面的三维坐标，必须对至少4颗卫星进行测量。在这一定位过程中，存在3部分误差：

第一部分误差是由卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等引起的；

第二部分是由传播延迟导致的误差；

第三部分为各用户接收机固有的误差，由内部噪声、通道延迟、多路径效应等原因造成。

利用差分技术，第一部分误差可以完全消除；第二部分误差大部分可以消除，消除程度主要取决于基准接收机和用户接收机的距离；第三部分误差则无法消除。

下面，我们主要介绍消除由于电离层延迟和对流层延迟引起的误差的算法。在算法中使用的时间系统为GPS时，坐标系统为WGS-84坐标系。

1．消除电离层误差的算法

我们主要通过电离层网格延迟算法来获得实际的电离层延迟值，以消除电离层误差。具体过程如下：解算星历，得出卫星位置→求电离层穿透点位置→求对应网格点→求网格4个顶点的电离层延迟改正数→内插获得穿透点垂直延迟改正数→求穿透点的实际延迟值。

2．卫星位置的计算

解算出星历数据后，加入星历修正和差分信息，便可计算出卫星位置。

从GPS OEM板接收到的是二进制编码的星历数据流，必须按照本文前面部分列出的数据结构解算星历数据，再依据IEEE-754标准将其转换为十进制编码的数据。在这里，需要解算的参数有：轨道长半轴的平方根（sqrta）、平近点角改正（dn）、星历表基准时间（toe）、toe时的平近点角（m0）、偏心率（e）、近地点角距（w）、卫星轨道摄动修正参数（cus cuc cis cic crs crc）、轨道倾角（i0）、升交点赤经（omg0）、升交点赤经变化率（odot）。2

功能基本功能1．精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中

2．工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量

3．勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到

导航1．武器导航：精确制导导弹、巡航导弹

2．车辆导航：车辆调度、监控系统

3．船舶导航：远洋导航、港口/内河引水

4．飞机导航：航线导航、进场着陆控制

5．星际导航：卫星轨道定位

6．个人导航：个人旅游及野外探险

定位车辆防盗系统

手机，PDA，PPC等通信移动设备防盗，电子地图，定位系统

儿童及特殊人群的防走失系统

精准农业：农机具导航、自动驾驶，土地高精度平整3

特点第一，全天候，不受任何天气的影响

第二，全球覆盖（高达98%）

第三，三维定点定速定时高精度

第四，快速、省时、高效率

第五，应用广泛、多功能

第六，可移动定位。

正在运行的全球卫星定位系统有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统。

欧盟1999年初正式推出“伽利略”计划，部署新一代定位卫星。该方案由27颗运行卫星和3颗预备卫星组成，可以覆盖全球，位置精度达几米，亦可与美国的GPS系统兼容，总投资为35亿欧元。该计划预计于2010年投入运行。

中国还独立研制了一个区域性的卫星定位系统——北斗导航系统。该系统的覆盖范围限于中国及周边地区，不能在全球范围提供服务，主要用于军事用途。

前景由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。 随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到10米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在中国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。4

选择技巧选择导航技巧一：选择正规大厂出品

车载导航仪作为高科技产品，涉及众多技术领域，一个功能齐全、质量上乘的车载导航产品需要有强大的技术和制造实力支撑。由于市场处于高速成长期，国内做导航产品的厂家大大小小有不下于1000家，但是其中绝大多数是小工厂或手工式作坊，而真正的正规大厂屈指可数，这也是为什么国内生产厂家众多，但质量抽检合格率仅有三成的原因。国内上规模的车载导航产品厂家有拓邦、好帮手、飞歌等少数几家。选择正规大厂另一个原因是因为它们一般比较重视售后服务，有完善的售后服务体系。特别是上市公司，随时要接受公众和证监会的监督，出现问题时往往会勇于担当而不是推卸责任。而小厂因实力有限，根本无法提供完善的售后服务，没有售后的支持，产品一旦出现问题，消费者只能自行承担相应损失。

选择导航技巧二：软件升级很重要

大多数消费者在选购汽车导航，存在一个误区，他们往往最关心的是硬件，会在挑选时更加注重外观好不好看，显示屏有多大，什么材质等等忽视了对于软件的要求，而导航软件功能可以说决定着一款导航产品的导航性能，因此如何选择一款合适的导航软件成为重中之重，更为重要的是消费者在购买时一定要注意地图软件能否升级。许多小厂家的GPS根本没有升级的服务，或者需要付出高昂的费用才能升级。GPS是电子信息产品，与电脑一样可以通过技术改造进行升级。GPS导航中的核心部分是地图，一般说来，地图最迟一年需要更新一次。眼下不少GPS品牌免费提供升级服务，但有些公司并没有更新地图的承诺，或者要收取费用，消费者在购买时一定要了解清楚。

选择导航技巧三：信号接收能力需要好的芯片

作为导航产品，我们最关心的绝对是它的收星能力，即信号接收能力。市场上销售的车载GPS大多数都会采用SiRFStarIII第三代芯片，这类芯片的优势是在有遮挡和天气情况恶劣的情况下可以捕捉和跟踪信号、减轻高楼林立带来的的信号干扰。此外，芯片的好坏还直接关系到计算路径时快捷准确的好坏。去同一个目的地，芯片的不同可能会出现不同的路线，而我们需要的是最佳路线

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学