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差分GPS系统有什么作用（上）

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刘天雄

一背景

不同的导航和定位应用对定位精度的要求是完全不同的。对于开阔空间的导航，如开阔海域的水面舰艇以及商用货轮的导航，以及从航线、航路到非精密进近阶段的飞机导航，数十米的水平精度就已经足够了。但是，许多重要的应用对定位精度有更高的要求。在能见度很差的情况下，船舶进出港口和机场地面车辆道路引导要求达到米级的水平定位精度，飞机精密进近要求米级的垂直定位精度。国际民航组织在其《航空GNSS完好性监测系统》（ICAOGNSSSARPs）草案第七版规定，民航客机利用GPS定位数据实现初始进近（非精密进近）时，GPS水平定位精度应不劣于220m，对垂直定位精度没有要求；I类精密进近时，GPS水平定位精度应不劣于16m，垂直定位精度应不劣于7.7m；而民航客机盲降（CATIII）时，要求GPS水平定位精度不劣于6m，垂直定位精度应不劣于2m。

还有一些特殊行业应用需要更高的定位精度，例如，水库或水电站的大坝由于水负荷的重压而产生变形，危及坝体的安全，需要对大坝外观变形进行连续而精密的监测，监测精度要求为亚毫米级。滑坡是指在一定环境中斜坡岩土在重力作用下，由于内外因素的影响，使其沿着坡体内一个或几个软弱面（带）发生剪切下滑现象。对水库、山区高速公路、铁路等附近区域滑坡体的三维变形实时监测，规避山体滑坡造成的民众人身安全风险十分必要，监测精度要求为毫米级。如此高的定位精度要求仅仅单独靠GPS系统是无法实现的。

大地测量、航空和航海等GPS系统高端用户对定位精度和导航信号完好性要求如图1所示。

如何进一步提高GPS导航和定位的精度呢？要解决这个问题，就要先了解差分GPS。

二差分GPS

差分GPS系统是一个全天候的GPS全球定位系统的增强系统，它可以大幅度提高GPS的定位精度，从GPS标准定位服务的15m提高到10cm（水平）。GPS系统标准定位服务（SPS）接收机提供了两种不同的测量值，L1频率C/A码伪距测量值以及L1载波相位测量值，这些测量值会受到一些误差因素的影响，上一讲谈到卫星星历误差、卫星原子钟误差、大气层中的对流层和电离层折射误差以及信号多径效应是GPS信号固有的，同时GPS接收机自身也有一系列问题，包括接收机时钟误差和接收机噪声。误差源给相距不远的用户所造成的误差都是类似的，且随时间缓慢变化。也就是说，误差在空间和时间上都是相关的。如果接收机的位置已知，那么就可以估算测量误差，这样的估算误差习惯上称为差分修正。如果该接收机附近的GPS用户接收到差分修正信息，就可以用来减少定位解算误差，这种方式通常简写为DGPS，所有的DGPS系统都使用这些误差的相关性来改善系统的定位精度。

其实差分GPS的道理并不复杂。开车的时候，如果往右偏了，那么谁都知道稍稍向左调整一些。DGPS也是同样的道理。首先确定一些已知点的信息，如果已知点和被测点距离足够近，那么可以认为它们受到的各种误差因素影响基本是相似的。这样，计算过程中将它作为参照，来确定应该将GPS计算的结果“左调”还是“右调”一些，从而得出更精确的定位结果。

DGPS意味着我们可以从至少两个相隔某一固定距离（又称为基线）的GPS接收机中获得相似的测量值集合，将两个接收机得到的相似测量值进行线性差分，就可以消除两个接收机共有误差。差分GPS系统组成如图2所示，包括能够接收差分修正信号的GPS用户接收机，一座位置已知的GPS基准站（通常又称为差分台），基准站接收GPS信号并确定位置坐标，由于基准站的位置是事先精密确定的，通过比较和实际位置（真值）之间的偏差可以计算出上述GPS信号包含的误差，由此可以计算出GPS的定位修正因子，然后再由基准站利用数据链（无线电广播）将差分修正等信息播发给附近的GPS用户。

基准站通过一条数据链路为终端用户提供信息，信息包括：①终端用户原始伪距测量值的校正值，GPS卫星提供的时钟和星历数据的校正值，或用来取代广播时钟和星历信息的数据；②基准站原始测量值（例如伪距和载波相位）；③完好性数据（可见卫星的“可用”或“不可用”指示，或提供校正值精度的统计值）；④辅助数据，包括基准站的位置、健康状况和气象数据。

DGPS系统可以按照服务的地理区域来分类，最简单的DGPS系统设计为只在很小的一个地理区域（即用户与基准站的距离在10～100km）内起作用。为了覆盖更大的地理区域，通常还需要采用多基站以及不同的算法。区域系统一般的覆盖范围最大到1000km，而广域系统的覆盖范围更大。对于一个基准站而言，其有效作用范围（或称覆盖范围），将主要由DGPS系统定位精度要求和数据传输系统的性能决定。

根据基准站发送的差分GPS修正信息，将DGPS分为位置差分、