差分GPS系統(tǒng)有什么作用？（上）

+ 劉天雄

一 背景

不同的導(dǎo)航和定位應(yīng)用對(duì)定位精度的要求是完全不同的。對(duì)于開闊空間的導(dǎo)航，如開闊海域的水面艦艇以及商用貨輪的導(dǎo)航，以及從航線、航路到非精密進(jìn)近階段的飛機(jī)導(dǎo)航，數(shù)十米的水平精度就已經(jīng)足夠了。但是，許多重要的應(yīng)用對(duì)定位精度有更高的要求。在能見度很差的情況下，船舶進(jìn)出港口和機(jī)場(chǎng)地面車輛道路引導(dǎo)要求達(dá)到米級(jí)的水平定位精度，飛機(jī)精密進(jìn)近要求米級(jí)的垂直定位精度。國(guó)際民航組織在其《航空GNSS完好性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》（ICAO GNSS SARPs）草案第七版規(guī)定，民航客機(jī)利用GPS定位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)初始進(jìn)近（非精密進(jìn)近）時(shí)，GPS水平定位精度應(yīng)不劣于220m，對(duì)垂直定位精度沒有要求；I類精密進(jìn)近時(shí)，GPS水平定位精度應(yīng)不劣于16m，垂直定位精度應(yīng)不劣于7.7m；而民航客機(jī)盲降（CAT III）時(shí)，要求GPS水平定位精度不劣于6m，垂直定位精度應(yīng)不劣于2m。

還有一些特殊行業(yè)應(yīng)用需要更高的定位精度，例如，水庫(kù)或水電站的大壩由于水負(fù)荷的重壓而產(chǎn)生變形，危及壩體的安全，需要對(duì)大壩外觀變形進(jìn)行連續(xù)而精密的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度要求為亞毫米級(jí)?；率侵冈谝欢ōh(huán)境中斜坡巖土在重力作用下，由于內(nèi)外因素的影響，使其沿著坡體內(nèi)一個(gè)或幾個(gè)軟弱面（帶）發(fā)生剪切下滑現(xiàn)象。對(duì)水庫(kù)、山區(qū)高速公路、鐵路等附近區(qū)域滑坡體的三維變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，規(guī)避山體滑坡造成的民眾人身安全風(fēng)險(xiǎn)十分必要，監(jiān)測(cè)精度要求為毫米級(jí)。如此高的定位精度要求僅僅單獨(dú)靠GPS系統(tǒng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

大地測(cè)量、航空和航海等GPS系統(tǒng)高端用戶對(duì)定位精度和導(dǎo)航信號(hào)完好性要求如圖1所示。

如何進(jìn)一步提高GPS導(dǎo)航和定位的精度呢？要解決這個(gè)問題，就要先了解差分GPS。

二 差分GPS

差分GPS系統(tǒng)是一個(gè)全天候的GPS全球定位系統(tǒng)的增強(qiáng)系統(tǒng)，它可以大幅度提高GPS的定位精度，從GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的15m提高到10cm（水平）。GPS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）接收機(jī)提供了兩種不同的測(cè)量值，L1頻率C/A碼偽距測(cè)量值以及L1載波相位測(cè)量值，這些測(cè)量值會(huì)受到一些誤差因素的影響，上一講談到衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星原子鐘誤差、大氣層中的對(duì)流層和電離層折射誤差以及信號(hào)多徑效應(yīng)是GPS信號(hào)固有的，同時(shí)GPS接收機(jī)自身也有一系列問題，包括接收機(jī)時(shí)鐘誤差和接收機(jī)噪聲。誤差源給相距不遠(yuǎn)的用戶所造成的誤差都是類似的，且隨時(shí)間緩慢變化。也就是說(shuō)，誤差在空間和時(shí)間上都是相關(guān)的。如果接收機(jī)的位置已知，那么就可以估算測(cè)量誤差，這樣的估算誤差習(xí)慣上稱為差分修正。如果該接收機(jī)附近的GPS用戶接收到差分修正信息，就可以用來(lái)減少定位解算誤差，這種方式通常簡(jiǎn)寫為DGPS，所有的DGPS系統(tǒng)都使用這些誤差的相關(guān)性來(lái)改善系統(tǒng)的定位精度。

其實(shí)差分GPS的道理并不復(fù)雜。開車的時(shí)候，如果往右偏了，那么誰(shuí)都知道稍稍向左調(diào)整一些。DGPS也是同樣的道理。首先確定一些已知點(diǎn)的信息，如果已知點(diǎn)和被測(cè)點(diǎn)距離足夠近，那么可以認(rèn)為它們受到的各種誤差因素影響基本是相似的。這樣，計(jì)算過程中將它作為參照，來(lái)確定應(yīng)該將GPS計(jì)算的結(jié)果“左調(diào)”還是“右調(diào)”一些，從而得出更精確的定位結(jié)果。

圖2 差分GPS（DGPS）系統(tǒng)組成

DGPS意味著我們可以從至少兩個(gè)相隔某一固定距離（又稱為基線）的GPS接收機(jī)中獲得相似的測(cè)量值集合，將兩個(gè)接收機(jī)得到的相似測(cè)量值進(jìn)行線性差分，就可以消除兩個(gè)接收機(jī)共有誤差。差分GPS系統(tǒng)組成如圖2所示，包括能夠接收差分修正信號(hào)的GPS用戶接收機(jī)，一座位置已知的GPS基準(zhǔn)站（通常又稱為差分臺(tái)），基準(zhǔn)站接收GPS信號(hào)并確定位置坐標(biāo)，由于基準(zhǔn)站的位置是事先精密確定的，通過比較和實(shí)際位置（真值）之間的偏差可以計(jì)算出上述GPS信號(hào)包含的誤差，由此可以計(jì)算出GPS的定位修正因子，然后再由基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈（無(wú)線電廣播）將差分修正等信息播發(fā)給附近的GPS用戶。

基準(zhǔn)站通過一條數(shù)據(jù)鏈路為終端用戶提供信息，信息包括：①終端用戶原始偽距測(cè)量值的校正值，GPS衛(wèi)星提供的時(shí)鐘和星歷數(shù)據(jù)的校正值，或用來(lái)取代廣播時(shí)鐘和星歷信息的數(shù)據(jù)；②基準(zhǔn)站原始測(cè)量值（例如偽距和載波相位）；③完好性數(shù)據(jù)（可見衛(wèi)星的“可用”或“不可用”指示，或提供校正值精度的統(tǒng)計(jì)值）；④輔助數(shù)據(jù)，包括基準(zhǔn)站的位置、健康狀況和氣象數(shù)據(jù)。

DGPS系統(tǒng)可以按照服務(wù)的地理區(qū)域來(lái)分類，最簡(jiǎn)單的DGPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)為只在很小的一個(gè)地理區(qū)域（即用戶與基準(zhǔn)站的距離在10～100km）內(nèi)起作用。為了覆蓋更大的地理區(qū)域，通常還需要采用多基站以及不同的算法。區(qū)域系統(tǒng)一般的覆蓋范圍最大到1000km，而廣域系統(tǒng)的覆蓋范圍更大。對(duì)于一個(gè)基準(zhǔn)站而言，其有效作用范圍（或稱覆蓋范圍），將主要由DGPS系統(tǒng)定位精度要求和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能決定。

根據(jù)基準(zhǔn)站發(fā)送的差分GPS修正信息，將DGPS分為位置差分、偽距差分和相位差分三類，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)送修正信息，由用戶站接收并對(duì)于其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。有所差別的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位效果也有所不同。差分定位可以提高精度的原因在于它可以消除基準(zhǔn)站與用戶之間的公共誤差，但隨著用戶距基準(zhǔn)站的距離的增加、對(duì)流層和電離層誤差公共性逐漸減弱，定位精度降低?；鶞?zhǔn)站和用戶之間的距離對(duì)用戶定位精度有著決定性的影響。

1 位置差分

從概念上講，實(shí)現(xiàn)DGPS最簡(jiǎn)單的辦法是把GPS基準(zhǔn)接收機(jī)放置在測(cè)繪過的基準(zhǔn)站上，基準(zhǔn)站的GPS接收機(jī)接收到四顆衛(wèi)星后即可解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。由于存在著星歷誤差、衛(wèi)星鐘漂移、SA誤差、對(duì)流層及對(duì)流層延遲、多徑效應(yīng)以及其他測(cè)量誤差，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知實(shí)際坐標(biāo)是不一樣的。GPS測(cè)量值和真值之間存在誤差（經(jīng)度、緯度和測(cè)地高度坐標(biāo)差），基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將誤差修正信息發(fā)送出去。用戶接收到差分修正信息后，得到的修正的用戶坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)站和用戶之間的共有誤差，特別是星歷誤差、衛(wèi)星鐘漂移、SA誤差。

圖9 Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球?qū)α鲗覧RA15模型均方根值（RMS）誤差圖

但是，這種差分方法存在嚴(yán)重不足，要求所有接收機(jī)對(duì)同樣一組衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量，要求具有同樣的精度幾何因子（GDOP）項(xiàng)，才能達(dá)到所受的偏差影響是相同的要求。因此，用戶接收機(jī)必須與基準(zhǔn)站協(xié)調(diào)衛(wèi)星選擇，或者基準(zhǔn)站必須測(cè)定并發(fā)送對(duì)所有可見衛(wèi)星組合而言的位置校正值，顯然這種方法對(duì)用戶來(lái)說(shuō)不方便，對(duì)基準(zhǔn)站來(lái)說(shuō)也不經(jīng)濟(jì)。實(shí)際上，不同位置上的用戶接收機(jī)和遠(yuǎn)端基準(zhǔn)站的接收機(jī)很難保證定位解算過程中的幾何精度因子（GDOP）是相同的。位置差分法適用于用戶與基準(zhǔn)站間間隔在100km以內(nèi)的區(qū)域。

2 偽距差分

偽距差分是目前應(yīng)用最廣的一種GPS差分技術(shù)。首先測(cè)量基準(zhǔn)站與可見衛(wèi)星之間的距離，與含有星歷誤差、衛(wèi)星鐘漂移、SA誤差、對(duì)流層及對(duì)流層延遲等測(cè)量誤差的測(cè)量偽距加以比較；然后基準(zhǔn)站將所有衛(wèi)星的偽距測(cè)量偏差廣播給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)修正測(cè)量的偽距；最后用戶利用改正后的偽距來(lái)解出本身的位置，由此消去公共誤差，提高定位精度。

與位置差分類似，偽距差分能消除用戶和基準(zhǔn)站之間的公共誤差，但隨著用戶到基準(zhǔn)站之間距離的增長(zhǎng)又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這類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)于精度有決定性影響。

3 載波相位差分

圖3 RTK GPS定位技術(shù)

由于GPS衛(wèi)星星座的不斷運(yùn)動(dòng)，一般要求GPS接收機(jī)能夠解算出載波L1頻點(diǎn)上變化的多普勒頻移。在使用雙頻接收機(jī)的場(chǎng)合，要同時(shí)跟蹤L1和L2兩個(gè)頻率。頻移是由于衛(wèi)星和接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的。利用對(duì)多普勒頻移的積分能極精確地測(cè)量出各個(gè)歷元之間信號(hào)載波相位的前進(jìn)測(cè)量值。干涉測(cè)量技術(shù)利用這些精確的相位測(cè)量值，在假定誤差能得以減輕的情況下，可能獲得厘米級(jí)的實(shí)時(shí)位置精度。雖然在歷元之間信號(hào)相位的變化能極精確地測(cè)量出來(lái)，但從衛(wèi)星到接收機(jī)傳播路徑上的載波整周期數(shù)仍是模糊的。確定傳播路徑上的載波整周期數(shù)叫做“載波整周模糊度解算”，它是動(dòng)態(tài)DGPS研究范疇中一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

利用載波相位相對(duì)定位的技術(shù)就是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）測(cè)量技術(shù)，RTK利用兩部或多部GPS接收機(jī)同時(shí)跟蹤同樣的多顆GPS衛(wèi)星?；鶞?zhǔn)站位于位置已知的固定點(diǎn)上，將位置和測(cè)量信息利用無(wú)線電鏈路發(fā)送給移動(dòng)的用戶，用戶接收機(jī)內(nèi)置的軟件合成并處理來(lái)自基準(zhǔn)站信號(hào)和來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)位置解算，如圖3所示。目前，初始的載波整周模糊度基本可以用OTF技術(shù)實(shí)時(shí)解模糊。這種方法適用于如下三種情況，①用戶與基準(zhǔn)站的距離為10～15km；②用戶需要實(shí)時(shí)解算出三維位置坐標(biāo)；③信號(hào)傳播路徑相對(duì)無(wú)障礙。

必須設(shè)法克服RTK GPS測(cè)量技術(shù)作用范圍有限（10～15km）的缺點(diǎn)，否則移動(dòng)用戶和基準(zhǔn)站之間的公共誤差將變得不太有相互關(guān)系了。DGPS技術(shù)在RTK定位技術(shù)基礎(chǔ)上，由用戶接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的載波相位與來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位（由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶），并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就能夠解算出用戶的三維坐標(biāo)，定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

三 局域差分GPS（LADGPS）

局域差分GPS系統(tǒng)（LADGPS）的工作原理建立在基準(zhǔn)站和用戶的誤差與同一時(shí)空相關(guān)基礎(chǔ)上，基準(zhǔn)站和用戶對(duì)GPS衛(wèi)星同步同軌跟蹤，通過偽距差分技術(shù)，當(dāng)基準(zhǔn)站和用戶之間的距離間隔小于150km時(shí)，用戶定位精度一般優(yōu)于5m。當(dāng)基準(zhǔn)站和用戶之間的距離增大，特別是間隔大于300km時(shí)，基準(zhǔn)站和用戶之間定位誤差的相關(guān)性就會(huì)減弱，用戶定位精度就會(huì)迅速降低。

LADGPS系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通信鏈和用戶三部分，如圖4所示。LADGPS系統(tǒng)基準(zhǔn)站需要有厘米級(jí)精度的三維地心坐標(biāo)，基準(zhǔn)站周圍在全視野內(nèi)至少應(yīng)有高度角5°以上的凈空間，基準(zhǔn)站配置的GPS接收機(jī)應(yīng)能提供偽距和相位信息，以及與之匹配的自動(dòng)氣象記錄儀。用戶GPS接收機(jī)應(yīng)具備接收差分信號(hào)和解調(diào)解碼功能。

圖4 LADGPS系統(tǒng)組成及信息流

在大多數(shù)運(yùn)行的LADGPS系統(tǒng)中，基準(zhǔn)站不測(cè)定位置坐標(biāo)誤差，而是測(cè)定并廣播每顆可見衛(wèi)星的偽距校正值。在LADGPS方案中，參考站的蝶形天線設(shè)置在經(jīng)準(zhǔn)確測(cè)量的位置上，用球形天線發(fā)射或接收差分修正信息，LADGPS無(wú)線鏈路所用頻段為100kHz～1.5GHz。LADGPS定位精度取決于用戶與參考站的距離，以及無(wú)線電鏈路發(fā)射差分修正信息的延遲量。LADGPS系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市或近海域建立一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站和播發(fā)站的LADGPS網(wǎng)，提供較高精度的實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位服務(wù)。

1 美國(guó)國(guó)家差分GPS系統(tǒng)－NDGPS

20世紀(jì)80年代后期，為滿足美國(guó)對(duì)海事導(dǎo)航的定位精度需求，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)研發(fā)了海事GPS差分系統(tǒng)－MDGPS，從1989年開始陸續(xù)改造MDGPS系統(tǒng)的無(wú)線電信標(biāo)，廣播RTCM SC-104電文格式的GPS差分修正信息，稱為海事DGPS，覆蓋美國(guó)沿海區(qū)域、大湖地區(qū)、美國(guó)大陸的內(nèi)河水路、夏威夷、阿拉斯加以及波多黎等地區(qū)。1999年3月投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，即使在GPS實(shí)施選擇可用性SA期間，海事DGPS能為離參考站100km的用戶提供1～5m的水平定位精度。

海事DGPS的成功服務(wù)推動(dòng)了美國(guó)國(guó)家差分GPS系統(tǒng)（NDGPS）的研發(fā)。NDGPS是美國(guó)地基GPS增強(qiáng)系統(tǒng)，為美國(guó)大陸和水路用戶提供高精度定位服務(wù)，同時(shí)提高了GPS系統(tǒng)的完好性。NDGPS由美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)USCG運(yùn)行控制的MDGPS和美國(guó)交通運(yùn)輸部運(yùn)行控制的美國(guó)DGPS系統(tǒng)組成。同時(shí)NDGPS將原美國(guó)空軍地波急救網(wǎng)絡(luò)（GWEN）站變換為GPS參考站，分布在整個(gè)美國(guó)大陸，這些參考站的發(fā)射差分修正信息的廣播天線安裝在100m高的塔上，無(wú)線電信號(hào)作用距離為400km，大部分地區(qū)達(dá)到雙重覆蓋，如圖5所示，為美國(guó)鐵路、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境和急救響應(yīng)服務(wù)等領(lǐng)域提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。

圖5 美國(guó)國(guó)家差分GPS系統(tǒng)－NDGPS服務(wù)覆蓋范圍

圖6 NDGPS的工作原理

圖7 GPS、NDGPS和HA-NDGPS的定位精度

美國(guó)國(guó)家DGPS系統(tǒng)－NDGPS已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，世界上50多個(gè)國(guó)家已經(jīng)簡(jiǎn)稱了相似的GPS增強(qiáng)系統(tǒng)。NDGPS的工作原理如圖6所示。NDGPS已啟動(dòng)現(xiàn)代化工作，包括高精度NDGPS系統(tǒng)（HA-NDGPS）。目前HA-NDGPS正在全面建設(shè)過程中，在服務(wù)覆蓋范圍區(qū)域內(nèi)提高GPS的完好性指標(biāo)，同時(shí)提供10～15cm定位精度，GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的精度為10～16m，NDGPS的定位精度為1～3m，定位精度的比較如圖7所示。

2 美國(guó)FAA局域增強(qiáng)系統(tǒng)－LAAS

針對(duì)GPS信號(hào)缺乏實(shí)時(shí)、快速的健康監(jiān)控問題，即所謂系統(tǒng)完好性告警時(shí)間問題，以及如何進(jìn)一步提高定位精度以引導(dǎo)飛機(jī)精密進(jìn)近問題，例如衛(wèi)星鐘漂移以及電離層延遲會(huì)引入幾米的定位誤差，這些誤差在飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)和著陸過程中必須實(shí)時(shí)修正。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）研發(fā)了局域增強(qiáng)系統(tǒng)（LAAS），LAAS系統(tǒng)是基于實(shí)時(shí)差分修正GPS信號(hào)的全天候飛機(jī)著陸系統(tǒng)。

位于機(jī)場(chǎng)附近的局域參考站（基準(zhǔn)站）具有精密測(cè)繪的三維地心坐標(biāo)，參考站接收機(jī)接收GPS信號(hào)解算出三維位置坐標(biāo)，然后實(shí)時(shí)將解算數(shù)據(jù)送給機(jī)場(chǎng)LAAS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心，中心計(jì)算得到各處參考站的GPS信號(hào)差分修正信息后利用VHF頻率數(shù)據(jù)鏈路將差分電文播發(fā)給用戶。飛機(jī)上的接收機(jī)利用差分信息修正GPS信號(hào)，可以在能見度較低的情況下，引導(dǎo)飛機(jī)精密進(jìn)和著陸，工作原理如圖8所示。國(guó)際民航組織稱這種類型的GPS差分系統(tǒng)為GPS地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）。

LAAS系統(tǒng)的上行數(shù)據(jù)鏈路的VHF頻率范圍為108MHz～118MHz，與儀表著陸系統(tǒng)（ILS）以及甚高頻全向(無(wú)線電)信標(biāo)導(dǎo)航輔助系統(tǒng)（VOR）共有這一甚高頻頻段。LAAS系統(tǒng)采用時(shí)分多址技術(shù)（TDMA）在VHF頻率上為整個(gè)機(jī)場(chǎng)提供GPS差分服務(wù)。

目前，LAAS系統(tǒng)可以達(dá)到Category I儀表著陸系統(tǒng)定位精度，即水平16m、垂直4～6m。LAAS系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)CAT III儀表著陸系統(tǒng)定位精度（水平6m、垂直2m），即民航客機(jī)盲降的定位精度要求。LAAS系統(tǒng)大幅度地提高了用戶的定位精度，同時(shí)有效地改善了GPS系統(tǒng)完好性，因此為用戶提供了WAAS所不能達(dá)到的優(yōu)質(zhì)定位服務(wù)。不足之處是，向其他所有基于射頻信號(hào)的著陸系統(tǒng)一樣，LAAS系統(tǒng)VHF頻率數(shù)據(jù)鏈路容易受到無(wú)意信號(hào)干擾，同時(shí)多徑效應(yīng)也將惡化定位精度。

圖4 LADGPS系統(tǒng)組成及信息流