1.GPS與DGPS概述

2.GPS定位原理

3.GPS定位誤差

4.DGPS定位原理

5.位置差分

6.偽距差分RTD

7.載波相位差分RTK

1.GPS與DGPS概述

我們?cè)谀吧牡胤矫月妨?，通常?huì)打開(kāi)手機(jī)上的地圖軟件來(lái)看一下自己在哪、目的地在哪、該怎么走。自動(dòng)駕駛汽車要想自己跑起來(lái)，首先也要知道自己在哪。來(lái)確定自己在哪的過(guò)程通常就會(huì)用到GPS這項(xiàng)技術(shù)，今天我們就來(lái)學(xué)習(xí)一下GPS、DGPS的工作原理。

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS)，是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無(wú)線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，它在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時(shí)間信息。

世界上正在全球范圍運(yùn)行服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一共有四個(gè)：美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。其中，全球定位系統(tǒng)（GPS）發(fā)展最早，成熟度最高，商業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)最深入。

差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Position System，簡(jiǎn)稱DGPS)，是在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度。DGPS借助了地面上已知坐標(biāo)的GPS接收器基站，轉(zhuǎn)發(fā)GPS差分信息。車輛同時(shí)接收GPS衛(wèi)星和GPS差分基站的信號(hào)，得出當(dāng)前的自身高精度坐標(biāo)。

2.GPS定位原理

接收設(shè)備測(cè)得與三顆衛(wèi)星的距離分別為 R1、R2、R3，以各衛(wèi)星位置為球心測(cè)量距離為半徑，繪制三個(gè)球，其交點(diǎn)即為接收設(shè)備的位置。根據(jù)最小二乘算法計(jì)算接收設(shè)備的估計(jì)位置，假設(shè)接收設(shè)備的坐標(biāo)為 (x，y，z)，N顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)為 (xi，yi，zi)，由幾何關(guān)系可得：

3個(gè)球面相交成一個(gè)點(diǎn)，三個(gè)方程組、三個(gè)未知數(shù)，3個(gè)距離段就可以確定接收設(shè)備的緯度、經(jīng)度和高度坐標(biāo)。

在實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星與接收設(shè)備之間的距離R是通過(guò)信號(hào)的傳播時(shí)間差Δt乘以信號(hào)的傳播速度v得到的。其中，信號(hào)的傳播速度v接近于真空中的光速即C=299792.458km/s （一般取300000km/s），量值非常大。因此，這就要求對(duì)時(shí)間差Δt進(jìn)行非常準(zhǔn)確的測(cè)定，如果稍有偏差，那么測(cè)得的衛(wèi)地距離就會(huì)謬以千里。

而時(shí)間差Δt是通過(guò)將衛(wèi)星處測(cè)得的信號(hào)發(fā)射時(shí)間ts與接收機(jī)處測(cè)得的信號(hào)達(dá)到的時(shí)間tr求差得到的。其中，衛(wèi)星上安置的原子鐘，穩(wěn)定度很高，我們認(rèn)為這種鐘的時(shí)間與GPS時(shí)間吻合。接收機(jī)處的時(shí)鐘是石英鐘，穩(wěn)定度一般，我們認(rèn)為它的時(shí)鐘時(shí)間與GPS時(shí)間存在時(shí)間同步誤差，并將這種誤差作為一個(gè)待定參數(shù)。這樣，對(duì)于每個(gè)地面點(diǎn)實(shí)際上需要求解的就有4個(gè)待定參數(shù)，因此至少需要觀測(cè)4顆衛(wèi)星(為保證結(jié)果獨(dú)一，4顆衛(wèi)星不能在同一平面)至地面點(diǎn)的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù)。

求解未知數(shù)：（x，y，z，t）。x，y，z用于定位，t用于定時(shí)。

3.GPS定位誤差

在GPS定位過(guò)程中，存在著以下三部分誤差。

第一部分是對(duì)每一個(gè)接收機(jī)所公有的（完全可以消除），例如：SA誤差（美國(guó)軍方為了限制非特許用戶利用GPS進(jìn)行高精度點(diǎn)定位而采用的降低系統(tǒng)精度的政策，簡(jiǎn)稱SA政策，它包括降低廣播星歷精度的ε技術(shù)和在衛(wèi)星基本頻率上附加一隨機(jī)抖動(dòng)的δ技術(shù)）、電離層延遲、大氣層延遲、星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差等。

第二部分為不能由用戶測(cè)量或由校正模型來(lái)計(jì)算的傳播延遲誤差（大部分可以消除）。

第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差（無(wú)法消除），例如：內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。

因?yàn)榇嬖谥鲜鋈N誤差，GPS定位精度只能保證在10米以內(nèi)，這個(gè)精度可以滿足人們?nèi)粘５氖褂?，但是在自?dòng)駕駛中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。自動(dòng)駕駛需要厘米級(jí)的高精度定位，這時(shí)候就需要用到DGPS定位技術(shù)來(lái)消去公共的誤差源 ——衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、大氣延時(shí)、多路徑效應(yīng)、SA等。

4.DGPS定位原理

在位置已精確測(cè)定的已知點(diǎn)上配備一臺(tái) GPS 接收機(jī)作為基準(zhǔn)站并和用戶同時(shí)進(jìn)行 GPS 觀測(cè)，將得到的單點(diǎn)定位的結(jié)果與基準(zhǔn)站坐標(biāo)比較，求解出實(shí)時(shí)差分修正值，以廣播或數(shù)據(jù)鏈傳輸方式，將差分修正值傳送至附近 GPS用戶，以修正其GPS定位解，提高其局部范圍內(nèi)用戶的定位精度。

DGPS分類：根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)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（RTD）和載波相位差分（RTK）。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送修正數(shù)據(jù)，由用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送修正數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。

DGPS基礎(chǔ)：利用差分定位方法可以將用戶的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位精度提高到米級(jí)。 能夠應(yīng)用這種方法的基礎(chǔ)是: 在同一地區(qū)內(nèi)，影響 GPS 實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位精度的因素，如大氣層延遲誤差、衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差等，對(duì)基準(zhǔn)站及其鄰近用戶的影響是相同或相近的。

5.位置差分

位置差分法是一種最簡(jiǎn)單的差分方法，任何一種GPS接收機(jī)均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。它利用安置在基準(zhǔn)站上的基準(zhǔn)接收機(jī)，對(duì)4顆及以上的衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，解出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)(X1，Y1，Z1)，再根據(jù)基準(zhǔn)站的已知精確坐標(biāo)(X0，Y0，Z0)求解基準(zhǔn)接收機(jī)的定位誤差改正數(shù)(△X，△Y，△Z)。

基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將其發(fā)播給用戶接收機(jī)，用戶接收機(jī)利用該改正數(shù)修正用戶接收機(jī)的定位結(jié)果。

最后得到的改正后的用戶坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)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。

為了提高定位精度，用戶接收機(jī)進(jìn)行位置修正吋，需將傳送時(shí)延因素考慮進(jìn)去：位置差分法的優(yōu)點(diǎn)是傳輸改正數(shù)少、計(jì)算方法簡(jiǎn)單、任何一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)均可改裝成差分定位系統(tǒng)，不足是要求基準(zhǔn)接收機(jī)與用戶接收機(jī)必須同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星、差分精度隨基準(zhǔn)接收機(jī)到用戶接收機(jī)間的距離的增加而降低以及其差分精度低于偽距差分等。位置差分法可以將精度提高到米級(jí)，適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在100km以內(nèi)的情況。

6.偽距差分RTD

偽距差分（Real Time Differential RTD）：利用基準(zhǔn)接收機(jī)的已知坐標(biāo)解算基準(zhǔn)接收機(jī)至各導(dǎo)航衛(wèi)星間的距離。并將其與含有誤差的偽距測(cè)量值進(jìn)行比較，然后通過(guò)濾波算法等數(shù)據(jù)處理算法解算出各衛(wèi)星的偽距誤差，再將所有衛(wèi)星的偽距誤差發(fā)播給用戶接收機(jī)。用戶接收機(jī)利用此偽距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距，進(jìn)而利用改正后的偽距求解自身的三維坐標(biāo)， 就可消去公共誤差，提高定位精度。

偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)。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)。

偽距差分的優(yōu)點(diǎn)：基準(zhǔn)接收機(jī)提供所有衛(wèi)星的偽距誤差，用戶接收機(jī)觀測(cè)任意4顆以上導(dǎo)航衛(wèi)星就可完成精確定位，無(wú)需進(jìn)行坐標(biāo)變換。

偽距差分的缺點(diǎn)：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(zhǔn)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(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有決定性影響。利用偽距差分方法，定位精度可達(dá)到亞米級(jí)。

6.載波相位差分RTK

載波相位差分技術(shù)又稱之為RTK技術(shù)（Real Time Kinematic）:與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈及時(shí)將其載波觀測(cè)值及基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行及時(shí)處理，能及時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。

什么是載波？

載波，根據(jù)名字就能大致了解它的含義，載是運(yùn)載的意思，波就是電波的意思，當(dāng)然這里要運(yùn)載的是衛(wèi)星的信號(hào)，合在一起就是：可運(yùn)載調(diào)制信號(hào)的高頻率震蕩波，稱之為載波。

 以GPS系統(tǒng)為例，GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)由載波、測(cè)距碼和導(dǎo)航電文三部分組成。載波和測(cè)距碼用來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量，導(dǎo)航電文包含了衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)。

為什么偽距測(cè)量比載波相位的精度低？

因?yàn)閭尉鄿y(cè)量是以測(cè)距碼作為量測(cè)信號(hào)的，而采用碼相關(guān)法時(shí)，測(cè)量精度是碼元寬度的百分之一，由于測(cè)距碼的碼元寬度較大（精碼碼寬為30m，C/A碼碼寬為300m），所以導(dǎo)致測(cè)量精度不高，只能做到30~300cm。

碼寬計(jì)算:碼寬=光速÷碼頻率，光速為300000000m/s，C/A碼的碼頻率為1.023Mhz，碼寬為300m；精碼的碼頻率為10.23Mhz，碼寬為30m。

而載波的波長(zhǎng)則要短上很多( 19.0cm/24.4cm/25.5cm) ,把載波當(dāng)做測(cè)距信號(hào)進(jìn)行相位測(cè)量，就能達(dá)到很高的精度。

載波作為運(yùn)載衛(wèi)星信號(hào)的載體（苦力勞動(dòng)），而測(cè)距碼也包含在衛(wèi)星信號(hào)里，說(shuō)明載波是給測(cè)距碼當(dāng)運(yùn)輸工具的，作為運(yùn)輸工具的載波的精度要比測(cè)距碼還要高，真的是英吹思婷。

使用載波時(shí)的缺點(diǎn)：會(huì)出現(xiàn)周跳與整周模糊度的問(wèn)題。周跳，是因?yàn)橛捎谛l(wèi)星信號(hào)的失鎖而導(dǎo)致的整周計(jì)數(shù)的跳變或中斷，導(dǎo)致觀測(cè)值不精確。整周模糊度是因?yàn)檩d波是一個(gè)沒(méi)有任何標(biāo)記的余弦波，接收機(jī)內(nèi)的鑒相器只能測(cè)定不足一周的部分，對(duì)產(chǎn)生的整周數(shù)不確定。這個(gè)問(wèn)題就需要考驗(yàn)看各廠商的測(cè)量軟件對(duì)整周技術(shù)的計(jì)算能力了。

衛(wèi)星到地球的距離=載波的波長(zhǎng)λ*相位差，載波相位測(cè)量實(shí)際就是以波長(zhǎng)λ作為長(zhǎng)度單位，以載波作為一把“尺子”來(lái)測(cè)量衛(wèi)星至接收機(jī)間的距離。

RTK是一種利用GPS載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的技術(shù)，關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和相對(duì)定位。

傳統(tǒng)RTK由2臺(tái)GPS接收機(jī)（一臺(tái)作為基準(zhǔn)站一臺(tái)或多臺(tái)作為移動(dòng)站）、數(shù)據(jù)通信鏈（電臺(tái)等）和測(cè)量軟件組成。GPS誤差會(huì)隨參考站和移動(dòng)站距離的增加而逐漸失去線性，在較長(zhǎng)距離下(單頻>10km，雙頻>30km)，經(jīng)過(guò)差分處理后的用戶數(shù)據(jù)仍然含有很大的觀測(cè)誤差，從而導(dǎo)致定位精度的降低和無(wú)法解算載波相位的整周模糊。

在20世紀(jì)90年代中期，人們提出了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。通過(guò)多個(gè)參考站組成的GPS網(wǎng)絡(luò)來(lái)估計(jì)一個(gè)地區(qū)的GPS誤差模型，并為網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)的用戶提供校正數(shù)據(jù)，用一個(gè)虛擬參考站的數(shù)據(jù)，為用戶提供距離自己位置較近的某個(gè)參考網(wǎng)格的校正數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)又被稱為虛擬參考站技術(shù)(Virtual Reference)。

近些年隨著技術(shù)的發(fā)展，RTK技術(shù)早已由傳統(tǒng)的1+1或1+2發(fā)展到了廣域差分系統(tǒng)WADGPS，有些城市建立起CORS系統(tǒng)，有的公司也自己建立了CORS系統(tǒng)，例如中國(guó)移動(dòng)CORS、千尋CORS，這就大大提高了RTK的測(cè)量范圍，解決了傳統(tǒng)RTK距離限制的問(wèn)題。

連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（Continuously Operating Reference Stations CORS）：是利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行（衛(wèi)星定位服務(wù)）參考站系統(tǒng)，由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)五個(gè)部分組成，各基準(zhǔn)站與監(jiān)控分析中心間通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體，形成專用網(wǎng)絡(luò)。

CORS的優(yōu)勢(shì)：

1）改進(jìn)了初始化時(shí)間、擴(kuò)大了有效工作的范圍；

2）采用連續(xù)基站，用戶隨時(shí)可以觀測(cè)，使用方便，提高了工作效率；

3）擁有完善的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地消除系統(tǒng)誤差和周跳，增強(qiáng)差分作業(yè)的可靠性；

4）用戶不需架設(shè)參考站，真正實(shí)現(xiàn)單機(jī)作業(yè)，減少了費(fèi)用；

5）使用固定可靠的數(shù)據(jù)鏈通訊方式，減少了噪聲干擾；

6）提供遠(yuǎn)程INTERNET服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享；

7）擴(kuò)大了GPS在動(dòng)態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，更有利于車輛、飛機(jī)和船舶的精密導(dǎo)航；

8）為建設(shè)數(shù)字化城市提供了新的契機(jī)。