差分GPS系統有什么作用？（上）

+ 劉天雄

一 背景

不同的導航和定位應用對定位精度的要求是完全不同的。對于開闊空間的導航，如開闊海域的水面艦艇以及商用貨輪的導航，以及從航線、航路到非精密進近階段的飛機導航，數十米的水平精度就已經足夠了。但是，許多重要的應用對定位精度有更高的要求。在能見度很差的情況下，船舶進出港口和機場地面車輛道路引導要求達到米級的水平定位精度，飛機精密進近要求米級的垂直定位精度。國際民航組織在其《航空GNSS完好性監測系統》（ICAO GNSS SARPs）草案第七版規定，民航客機利用GPS定位數據實現初始進近（非精密進近）時，GPS水平定位精度應不劣于220m，對垂直定位精度沒有要求；I類精密進近時，GPS水平定位精度應不劣于16m，垂直定位精度應不劣于7.7m；而民航客機盲降（CAT III）時，要求GPS水平定位精度不劣于6m，垂直定位精度應不劣于2m。

還有一些特殊行業應用需要更高的定位精度，例如，水庫或水電站的大壩由于水負荷的重壓而產生變形，危及壩體的安全，需要對大壩外觀變形進行連續而精密的監測，監測精度要求為亞毫米級。滑坡是指在一定環境中斜坡巖土在重力作用下，由于內外因素的影響，使其沿著坡體內一個或幾個軟弱面（帶）發生剪切下滑現象。對水庫、山區高速公路、鐵路等附近區域滑坡體的三維變形實時監測，規避山體滑坡造成的民眾人身安全風險十分必要，監測精度要求為毫米級。如此高的定位精度要求僅僅單獨靠GPS系統是無法實現的。

大地測量、航空和航海等GPS系統高端用戶對定位精度和導航信號完好性要求如圖1所示。

如何進一步提高GPS導航和定位的精度呢？要解決這個問題，就要先了解差分GPS。

二 差分GPS

差分GPS系統是一個全天候的GPS全球定位系統的增強系統，它可以大幅度提高GPS的定位精度，從GPS標準定位服務的15m提高到10cm（水平）。GPS系統標準定位服務（SPS）接收機提供了兩種不同的測量值，L1頻率C/A碼偽距測量值以及L1載波相位測量值，這些測量值會受到一些誤差因素的影響，上一講談到衛星星歷誤差、衛星原子鐘誤差、大氣層中的對流層和電離層折射誤差以及信號多徑效應是GPS信號固有的，同時GPS接收機自身也有一系列問題，包括接收機時鐘誤差和接收機噪聲。誤差源給相距不遠的用戶所造成的誤差都是類似的，且隨時間緩慢變化。也就是說，誤差在空間和時間上都是相關的。如果接收機的位置已知，那么就可以估算測量誤差，這樣的估算誤差習慣上稱為差分修正。如果該接收機附近的GPS用戶接收到差分修正信息，就可以用來減少定位解算誤差，這種方式通常簡寫為DGPS，所有的DGPS系統都使用這些誤差的相關性來改善系統的定位精度。

其實差分GPS的道理并不復雜。開車的時候，如果往右偏了，那么誰都知道稍稍向左調整一些。DGPS也是同樣的道理。首先確定一些已知點的信息，如果已知點和被測點距離足夠近，那么可以認為它們受到的各種誤差因素影響基本是相似的。這樣，計算過程中將它作為參照，來確定應該將GPS計算的結果“左調”還是“右調”一些，從而得出更精確的定位結果。

圖2 差分GPS（DGPS）系統組成

DGPS意味著我們可以從至少兩個相隔某一固定距離（又稱為基線）的GPS接收機中獲得相似的測量值集合，將兩個接收機得到的相似測量值進行線性差分，就可以消除兩個接收機共有誤差。差分GPS系統組成如圖2所示，包括能夠接收差分修正信號的GPS用戶接收機，一座位置已知的GPS基準站（通常又稱為差分臺），基準站接收GPS信號并確定位置坐標，由于基準站的位置是事先精密確定的，通過比較和實際位置（真值）之間的偏差可以計算出上述GPS信號包含的誤差，由此可以計算出GPS的定位修正因子，然后再由基準站利用數據鏈（無線電廣播）將差分修正等信息播發給附近的GPS用戶。

基準站通過一條數據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量值的校正值，GPS衛星提供的時鐘和星歷數據的校正值，或用來取代廣播時鐘和星歷信息的數據；②基準站原始測量值（例如偽距和載波相位）；③完好性數據（可見衛星的“可用”或“不可用”指示，或提供校正值精度的統計值）；④輔助數據，包括基準站的位置、健康狀況和氣象數據。

DGPS系統可以按照服務的地理區域來分類，最簡單的DGPS系統設計為只在很小的一個地理區域（即用戶與基準站的距離在10～100km）內起作用。為了覆蓋更大的地理區域，通常還需要采用多基站以及不同的算法。區域系統一般的覆蓋范圍最大到1000km，而廣域系統的覆蓋范圍更大。對于一個基準站而言，其有效作用范圍（或稱覆蓋范圍），將主要由DGPS系統定位精度要求和數據傳輸系統的性能決定。

根據基準站發送的差分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，即都是由基準站發送修正信息，由用戶站接收并對于其測量結果進行改正，以獲得精確的定位結果。有所差別的是，發送改正數的具體內容不一樣，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站與用戶之間的公共誤差，但隨著用戶距基準站的距離的增加、對流層和電離層誤差公共性逐漸減弱，定位精度降低?；鶞收竞陀脩糁g的距離對用戶定位精度有著決定性的影響。

1 位置差分

從概念上講，實現DGPS最簡單的辦法是把GPS基準接收機放置在測繪過的基準站上，基準站的GPS接收機接收到四顆衛星后即可解算出基準站的坐標。由于存在著星歷誤差、衛星鐘漂移、SA誤差、對流層及對流層延遲、多徑效應以及其他測量誤差，解算出的坐標與基準站的已知實際坐標是不一樣的。GPS測量值和真值之間存在誤差（經度、緯度和測地高度坐標差），基準站利用數據鏈將誤差修正信息發送出去。用戶接收到差分修正信息后，得到的修正的用戶坐標已消去了基準站和用戶之間的共有誤差，特別是星歷誤差、衛星鐘漂移、SA誤差。

圖9 Galileo衛星導航系統全球對流層ERA15模型均方根值（RMS）誤差圖

但是，這種差分方法存在嚴重不足，要求所有接收機對同樣一組衛星進行偽距測量，要求具有同樣的精度幾何因子（GDOP）項，才能達到所受的偏差影響是相同的要求。因此，用戶接收機必須與基準站協調衛星選擇，或者基準站必須測定并發送對所有可見衛星組合而言的位置校正值，顯然這種方法對用戶來說不方便，對基準站來說也不經濟。實際上，不同位置上的用戶接收機和遠端基準站的接收機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站間間隔在100km以內的區域。

2 偽距差分

偽距差分是目前應用最廣的一種GPS差分技術。首先測量基準站與可見衛星之間的距離，與含有星歷誤差、衛星鐘漂移、SA誤差、對流層及對流層延遲等測量誤差的測量偽距加以比較；然后基準站將所有衛星的偽距測量偏差廣播給用戶，用戶利用此測距誤差來修正測量的偽距；最后用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置，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站之間的公共誤差，但隨著用戶到基準站之間距離的增長又出現了系統誤差，這類誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準站之間的距離對于精度有決定性影響。

3 載波相位差分

圖3 RTK GPS定位技術

由于GPS衛星星座的不斷運動，一般要求GPS接收機能夠解算出載波L1頻點上變化的多普勒頻移。在使用雙頻接收機的場合，要同時跟蹤L1和L2兩個頻率。頻移是由于衛星和接收機之間的相對運動引起的。利用對多普勒頻移的積分能極精確地測量出各個歷元之間信號載波相位的前進測量值。干涉測量技術利用這些精確的相位測量值，在假定誤差能得以減輕的情況下，可能獲得厘米級的實時位置精度。雖然在歷元之間信號相位的變化能極精確地測量出來，但從衛星到接收機傳播路徑上的載波整周期數仍是模糊的。確定傳播路徑上的載波整周期數叫做“載波整周模糊度解算”，它是動態DGPS研究范疇中一個活躍的研究領域。

利用載波相位相對定位的技術就是實時動態（RTK）測量技術，RTK利用兩部或多部GPS接收機同時跟蹤同樣的多顆GPS衛星?；鶞收疚挥谖恢靡阎墓潭c上，將位置和測量信息利用無線電鏈路發送給移動的用戶，用戶接收機內置的軟件合成并處理來自基準站信號和來自GPS衛星的信號，最終實現位置解算，如圖3所示。目前，初始的載波整周模糊度基本可以用OTF技術實時解模糊。這種方法適用于如下三種情況，①用戶與基準站的距離為10～15km；②用戶需要實時解算出三維位置坐標；③信號傳播路徑相對無障礙。

必須設法克服RTK GPS測量技術作用范圍有限（10～15km）的缺點，否則移動用戶和基準站之間的公共誤差將變得不太有相互關系了。DGPS技術在RTK定位技術基礎上，由用戶接收GPS衛星信號的載波相位與來自基準站的載波相位（由基準站通過數據鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶），并組成相位差分觀測值進行實時處理，就能夠解算出用戶的三維坐標，定位精度可以達到厘米級。

三 局域差分GPS（LADGPS）

局域差分GPS系統（LADGPS）的工作原理建立在基準站和用戶的誤差與同一時空相關基礎上，基準站和用戶對GPS衛星同步同軌跟蹤，通過偽距差分技術，當基準站和用戶之間的距離間隔小于150km時，用戶定位精度一般優于5m。當基準站和用戶之間的距離增大，特別是間隔大于300km時，基準站和用戶之間定位誤差的相關性就會減弱，用戶定位精度就會迅速降低。

LADGPS系統包括基準站、數據通信鏈和用戶三部分，如圖4所示。LADGPS系統基準站需要有厘米級精度的三維地心坐標，基準站周圍在全視野內至少應有高度角5°以上的凈空間，基準站配置的GPS接收機應能提供偽距和相位信息，以及與之匹配的自動氣象記錄儀。用戶GPS接收機應具備接收差分信號和解調解碼功能。

圖4 LADGPS系統組成及信息流

在大多數運行的LADGPS系統中，基準站不測定位置坐標誤差，而是測定并廣播每顆可見衛星的偽距校正值。在LADGPS方案中，參考站的蝶形天線設置在經準確測量的位置上，用球形天線發射或接收差分修正信息，LADGPS無線鏈路所用頻段為100kHz～1.5GHz。LADGPS定位精度取決于用戶與參考站的距離，以及無線電鏈路發射差分修正信息的延遲量。LADGPS系統主要應用于城市或近海域建立一個或多個基準站和播發站的LADGPS網，提供較高精度的實時導航和定位服務。

1 美國國家差分GPS系統－NDGPS

20世紀80年代后期，為滿足美國對海事導航的定位精度需求，美國海岸警衛隊研發了海事GPS差分系統－MDGPS，從1989年開始陸續改造MDGPS系統的無線電信標，廣播RTCM SC-104電文格式的GPS差分修正信息，稱為海事DGPS，覆蓋美國沿海區域、大湖地區、美國大陸的內河水路、夏威夷、阿拉斯加以及波多黎等地區。1999年3月投入運營以來，即使在GPS實施選擇可用性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的成功服務推動了美國國家差分GPS系統（NDGPS）的研發。NDGPS是美國地基GPS增強系統，為美國大陸和水路用戶提供高精度定位服務，同時提高了GPS系統的完好性。NDGPS由美國海岸警衛隊USCG運行控制的MDGPS和美國交通運輸部運行控制的美國DGPS系統組成。同時NDGPS將原美國空軍地波急救網絡（GWEN）站變換為GPS參考站，分布在整個美國大陸，這些參考站的發射差分修正信息的廣播天線安裝在100m高的塔上，無線電信號作用距離為400km，大部分地區達到雙重覆蓋，如圖5所示，為美國鐵路、農業、林業、環境和急救響應服務等領域提供高質量的定位、導航和授時服務。

圖5 美國國家差分GPS系統－NDGPS服務覆蓋范圍

圖6 NDGPS的工作原理

圖7 GPS、NDGPS和HA-NDGPS的定位精度

美國國家DGPS系統－NDGPS已成為國際標準，世界上50多個國家已經簡稱了相似的GPS增強系統。NDGPS的工作原理如圖6所示。NDGPS已啟動現代化工作，包括高精度NDGPS系統（HA-NDGPS）。目前HA-NDGPS正在全面建設過程中，在服務覆蓋范圍區域內提高GPS的完好性指標，同時提供10～15cm定位精度，GPS標準定位服務的精度為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FAA局域增強系統－LAAS

針對GPS信號缺乏實時、快速的健康監控問題，即所謂系統完好性告警時間問題，以及如何進一步提高定位精度以引導飛機精密進近問題，例如衛星鐘漂移以及電離層延遲會引入幾米的定位誤差，這些誤差在飛機進場和著陸過程中必須實時修正。美國聯邦航空管理局（FAA）研發了局域增強系統（LAAS），LAAS系統是基于實時差分修正GPS信號的全天候飛機著陸系統。

位于機場附近的局域參考站（基準站）具有精密測繪的三維地心坐標，參考站接收機接收GPS信號解算出三維位置坐標，然后實時將解算數據送給機場LAAS系統數據處理中心，中心計算得到各處參考站的GPS信號差分修正信息后利用VHF頻率數據鏈路將差分電文播發給用戶。飛機上的接收機利用差分信息修正GPS信號，可以在能見度較低的情況下，引導飛機精密進和著陸，工作原理如圖8所示。國際民航組織稱這種類型的GPS差分系統為GPS地基增強系統（GBAS）。

LAAS系統的上行數據鏈路的VHF頻率范圍為108MHz～118MHz，與儀表著陸系統（ILS）以及甚高頻全向(無線電)信標導航輔助系統（VOR）共有這一甚高頻頻段。LAAS系統采用時分多址技術（TDMA）在VHF頻率上為整個機場提供GPS差分服務。

目前，LAAS系統可以達到Category I儀表著陸系統定位精度，即水平16m、垂直4～6m。LAAS系統的發展目標是實現CAT III儀表著陸系統定位精度（水平6m、垂直2m），即民航客機盲降的定位精度要求。LAAS系統大幅度地提高了用戶的定位精度，同時有效地改善了GPS系統完好性，因此為用戶提供了WAAS所不能達到的優質定位服務。不足之處是，向其他所有基于射頻信號的著陸系統一樣，LAAS系統VHF頻率數據鏈路容易受到無意信號干擾，同時多徑效應也將惡化定位精度。

圖4 LADGPS系統組成及信息流