差分GPS定位技术的原理和应用研究

摘要：全球导航卫星系统（GNSS）为人类导航定位提供了巨大的便利，特别是美国的全球定位系统GPS。GPS接收机由于受到电离层延时、对流层延时、卫星时钟偏差、卫星时钟频率漂移、卫星星历偏差、多径误差等影响，定位精度在最优情况下只能达到7-10米。为了提高定位精度，出现了差分GPS定位系统，实现了亚米级、甚至厘米级的定位精度。因此，对差分GPS定位技术的原理和应用进行研究具有重要的现实意义。

关键词：全球导航系统；误差；差分GPS；定位精度

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）25-5842-02

1 差分GPS定位技术的原理

GPS是一种高精度卫星定位导航系统[1]。在实验期间，它能给出高精度的定位结果。此时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度，但由于用户要求还不迫切，所以这一技术发展较慢。然而，随着 GPS技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能。卫星差分导航系统可以极大地提高卫星定位系统的精度和定位完整性[2]，最普遍的结构由参考站、数据通信网络和移动站三部分组成。由图1[3]可知，差分GPS定位技术的基本原理为：事先经过精确测量定位的参考基站利用高质量的卫星接收机，估算每一颗卫星测量中缓慢变化的各种误差分量，形成对可见卫星的测量修正，再通过数据通信网络广播给附近的移动用户，这样就可以得到比单点定位更高的精度。

图1 差分GPS工作原理

2 差分GPS定位技术的方法

卫星差分定位有很多不同的方法，它们大体可以分为局域差分系统、广域差分系统和网络差分系统 [4-5]。

大部分局域差分系统使用单参考站，利用测站间误差具有时空强相关性原理，根据已知位置信息和GPS观测数据生成差分改正信息，通过无线通讯链路实时播发给移动站。局域差分一般可分为基于码相位的差分（包括位置差分和伪距离差分）和基于载波相位的差分。如果基站和移动用户的距离在10公里以内，基于码相位的差分可以实现亚米级定位精度[3]。基于码相位的差分除了系统比较简单以外，还有一个好处：由于它只需要传输每一颗卫星伪距离的标量修正，而且标量修正是缓慢变化的，系统传输的数据量很小，节约网络资源。由于伪距容易受到多径的影响，使得复杂环境下的定位精度变差，甚至失效。载波相位差分是一种高精度定位模式，通常称为实时动态（RTK）技术，其测量卫星信号从导航卫星到参考基站的相位变化，达到百分之几的载波波长的精度，通常为厘米级精度。但高精度的实时动态系统有两个主要缺点：1） 由于计算整数模糊度需要载波相位的测量和传输，载波相位是每一时刻快速变化的量，系统数据传输量比基于码相位的差分系统要高很多；2） 确定整数模糊度需要比较长的时间，通常在静态的用户需要几分钟甚至几十分钟的时间。因此实时动态系统在高动态下确定整数模糊度就更加困难。

广域差分系统是利用服务区内的参考站网监测可见GPS卫星，计算每一颗卫星的矢量修正[6]。矢量修正包括卫星时钟修正、卫星位置的三个坐标的修正、以及格点化的电离层延迟参数。广域差分系统的精度和局域差分接近，但它可以覆盖到整个国家甚至地球的区域，而且它比覆盖同样面积的局域网构建使用更少的参考站。目前覆盖范围最广的广域差分系统是美国航空航天局部署的广域增强系统（WAAS/SBAS）[7]。用户接收机的基带芯片只有配备用于处理SBAS信息的通道，卫星通讯使用成本昂贵，一般民用场合难以承受；而且域增强系统的建设，需要由国家级部门牵头统一规划协调，一般的地区行业无法完成[4]。

网络差分技术[5]是GPS理论发展与现代通信技术结合的产物，能够克服常规差分方法存在的缺陷，使用户更便捷地在较大空间范围内获得均匀、高精度和可靠的定位结果。国外目前比较成熟的网络差分技术有VRS（虚拟参考站）技术、FKP（区域改正数）技术和MAC（主辅站）技术。在国内，网络差分技术也取得了一些成果：武汉大学提出了一种网络RTK系统误差改正模型――综合误差内插技术（CBI）；东南大学采用GPRS（通用分组无线业务）与Internet无缝链接技术集成GPS模块，开发了网络差分移动站终端等。但总的来说，国内的网络差分技术与国外的差距还比较大。

3 差分GPS定位技术的传输协议[5]

网络差分系统中差分改正信息的生成是系统实现的关键技术之一，而网络差分系统必须符合标准协议的差分改正信息，以适于各个不同的接收机。常用的GPS差分协议主要包括以下几种：

1） RTCM差分协议：国际海运事业无线电技术委员会（RTCM）为全球应用差分GPS业务制定了RTCM SC―104差分电文标准协议。

2） RTCA差分协议：为了满足局域差分系统和广域差分系统的技术要求，航空无线电技术委员会（RTCA）制定了RTCA SC―159差分电文标准协议。

3） 专门用于实时动态定位的CMR差分协议：由于近几年来，实时动态载波相位差分技术的出现，美国Trimble公司制定了专门用于RTK的CMR差分协议。

以上三种差分协议中，使用最广泛的是RTCM标准协议。但是由于现代定位技术的不断发展，原有的差分协议并不能完全满足它们的需求，出现了扩展差分协议。如德国的GEO++组织为了提高定位精度和减少数据发送量提出了RTCM++协议；另外，为了传输区域改正数，GEO++组织在RTCM++的基础上，制定了RTCM-Adv差分协议等。

4 差分GPS定位技术的应用现状

在当今信息社会中，交通运输的合理调度和管制对于生产和人的生活有着很重要的作用。自GPS问世以来，许多应用需要很高的精度。例如对警车、消防车等的定位，必须具有足够的精度，不能误导其位置到其他的街道，这时就需要采用差分GPS技术，进而提高用车的使用效率。此外，差分GPS在水下地形测绘，大比例尺测图，海洋石油勘探和定位，航空摄影，飞机精密进场和船舶机动性能测定，农业领域和载体姿态测定中必不可少[8]。

随着科技的不断发展，智能手机等电子产物越来越离不开人们的日常生活。众所周知，手机导航已存在了很多时间，同时也被人们广泛使用。但是，目前的手机导航定位精度很差，越来越满足不了人们的需求。然而，如果在手机导航定位中加入差分技术，则可以大大提高手机导航的精度，更方便人们的出行。

同时，随着智能交通特别是车联网技术与产业的兴起，完全可实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务的系统。因此，我们可以将差分GPS定位技术应用到车辆导航中，提高车辆导航的定位精度，进而实现精确到厘米级的车道间的定位。

最近，美国高速公路安全管理局提出了V2V（vehicle to vehicle）技术，也就是让汽车之间建立联系。该技术系统将综合使用GPS、雷达以及摄像头技术，当发现迎面驶来汽车时，及时将它的行驶轨迹预报给司机，从而使司机避开前方车辆。系统还会在两车之间进行通信，以避免在路口发生交通事故。因此，如果V2V技术不采用传统的GPS技术而采用差分GPS定位技术的话，将使车辆的定位精度更高，使得V2V技术在交叉路口等事故多发地的预报更加精准，尽量降低交通事故的发生。对车辆加入差分定位技术，还可以实现停车场的智能停车管理，也可以应用在交警部门对路边违规停车车辆的查询上。当交警部门通过网络查询到某地出现违规停车时，可以立马调动人手进行开罚单处理，提高了交警部门的执勤效率，同时也可以有力整顿路边违规停车的情况。由于网络差分技术可以带来高达厘米级的定位精度，故差分GPS定位技术同样也可以应用在电缆监测、高铁桥梁和路基结构健康实时监测。

5 结束语

GPS导航定位技术的日益普及已深深地影响和改变人们的生活，但传统的GPS定位技术由于受到各种测量误差的影响，其定位精度已不能满足当前的需求。减少GPS测量误差显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种GPS测量误差，故研究差分GPS定位技术的原理和应用具有重要的现实意义。同时，由于差分GPS定位技术的不断成熟，其应用已逐渐渗入到人们的日常生活中。因此，更进一步地拓展差分GPS定位技术在各行各业中的应用将是未来的发展趋势。

参考文献：

[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] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009：7.

[4] 潘树国.基于VRS的GPS多基站网络差分技术研究与实现[D]. 南京：东南大学，2007-06-04.

[5] 毛薇.多参考站GPS网络差分信息服务系统设计与实现[D].南京：东南大学，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].大连：大连海事大学，2007，3.