差分GPS當(dāng)前應(yīng)用

【摘 要】 隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)和系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各種領(lǐng)域。美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）具有很多優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟，已在全球廣泛使用。本文將分別介紹差分GPS技術(shù)，地基增強(qiáng)系統(tǒng)與星基增強(qiáng)系統(tǒng)三種技術(shù)的原理與發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)每項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與展望。

【關(guān)鍵詞】 差分GPS 地基增強(qiáng)系統(tǒng) 星基增強(qiáng)系統(tǒng)

1.差分GPS

1.1簡(jiǎn)介。差分GPS（Differential Global Positioning System，即DGPS）是利用已知基準(zhǔn)站精密計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的偽距改正數(shù)，用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測(cè)的同時(shí)，利用接收到的基準(zhǔn)站的偽距改正數(shù)，進(jìn)行定位計(jì)算，求解出精確的用戶接收機(jī)的位置。由于這種改正能將公共誤差抵消，從而提高了定位精度。

差分 GPS 系統(tǒng)主要由三部分組成，即基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)鏈和用戶（流動(dòng)站）。其定位原理是基準(zhǔn)站上的 GPS 天線和流動(dòng)站上的 GPS 天線同時(shí)接收一組衛(wèi)星信號(hào)，兩個(gè) GPS 天線將接收到的衛(wèi)星信號(hào)再分別傳遞給基準(zhǔn)站 GPS 接收機(jī)和流動(dòng)站上的 GPS 接收機(jī)。由于基準(zhǔn)站被安置在某一固定位置，故基準(zhǔn)站的坐標(biāo)為固定值。根據(jù)基準(zhǔn)站已知的精確坐標(biāo)和已知衛(wèi)星的距離，可以反算出衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，并通過(guò)比較解算出差分改正數(shù)。同時(shí)基準(zhǔn)站將解算出的差分改正數(shù)通過(guò)基準(zhǔn)站的發(fā)送天線實(shí)時(shí)的發(fā)送給流動(dòng)站的 GPS 天線，流動(dòng)站上的 GPS 天線將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)流動(dòng)站數(shù)據(jù)鏈傳給流動(dòng)站上的 GPS 接收機(jī)。流動(dòng)站上的 GPS 接收機(jī)根據(jù) GPS 天線的觀測(cè)數(shù)值和基準(zhǔn)站接收機(jī)提供的差分改正數(shù)，解算出精確的用戶坐標(biāo)。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。目前，GPS 導(dǎo)航和定位不僅廣泛應(yīng)用在美國(guó)及其盟國(guó)的軍事行動(dòng)中，全世界幾乎所有有導(dǎo)航和定位需求的用戶，都被GPS的全天候，全球覆蓋，高精度，方便廉價(jià)所吸引。GPS 對(duì)人們?cè)诘厍蛏系膶?dǎo)航和定位產(chǎn)生了巨大的影響，可以滿足各種不同用戶的需求。

GPS系統(tǒng)由衛(wèi)星空間部分，地面控制部分，用戶接收機(jī)設(shè)備三部分構(gòu)成。GPS的空間部分由24顆GPS衛(wèi)星構(gòu)成，GPS 衛(wèi)星的平均高度大約20200km，運(yùn)行軌道是長(zhǎng)半軸為26609km橢圓，運(yùn)行周期12小時(shí)。這24顆衛(wèi)星運(yùn)行的橢圓軌道的傾角是55度，每個(gè)橢圓運(yùn)行軌道上都是4顆。

使用支持差分功能的GPS接收機(jī)可以直接進(jìn)行差分GPS定位從而獲得高精度的定位結(jié)果。但現(xiàn)在支持播發(fā)RTCM差分協(xié)議的GPS接收機(jī)，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，價(jià)格都十分高昂，這讓普通用戶難以承受。GPS OEM板卡由于價(jià)格低廉和靈活方便的特點(diǎn)，受到了學(xué)者和研發(fā)人員的青睞。除此之外，還可以只購(gòu)買(mǎi)相關(guān)定位模塊，然后自主電路設(shè)計(jì)研制板卡進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

2.地基增強(qiáng)系統(tǒng)

2.1簡(jiǎn)介。國(guó)際民航組織出了地基增強(qiáng)系統(tǒng)的概念（GBAS，Ground Based Augmngtation System）的概念，美國(guó)定義其名稱為本地局域增強(qiáng)系統(tǒng)。實(shí)際上， 地基增強(qiáng)系統(tǒng)不止?jié)M足民航，也滿足大地測(cè)量與地球科學(xué)、GNSS測(cè)量、測(cè)繪和導(dǎo)航用戶的需求。地基增強(qiáng)系統(tǒng)是衛(wèi)星定位技術(shù)、算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、字通信技術(shù)等高新科技多方位深度結(jié)晶的產(chǎn)物。連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站（CORS）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)五部分組成。各基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)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)。

2.2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。世界上較發(fā)達(dá)的國(guó)家都建立或正在建立地基增強(qiáng)系統(tǒng)。國(guó)際GPS服務(wù)商（IGS）在全球約有IGS站點(diǎn)400多個(gè)，隸屬于不同國(guó)家的100多個(gè)科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)和政府組織，是國(guó)際上最具影響力的地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)CORS系統(tǒng)是由美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局（National Geodetic Survey，NGS）負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)的一個(gè)合作運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)現(xiàn)擁有200多個(gè)不同組織管理的1800多個(gè)GPS連續(xù)運(yùn)行站組成。歐洲永久性連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)（EUREF Permanment Network，EPN）是歐洲100多個(gè)機(jī)構(gòu)和大學(xué)建立的永久性衛(wèi)星基準(zhǔn)站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，由IAG歐洲分委員會(huì)（EUREF）負(fù)責(zé)建立的一個(gè)合作性連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)。

3.星基增強(qiáng)系統(tǒng)

3.1簡(jiǎn)介。星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）是高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，它通過(guò)地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星上的透明轉(zhuǎn)發(fā)器，向用戶播發(fā)完好性信息和修正信息（包括星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等），并提供測(cè)距信號(hào)來(lái)增強(qiáng)導(dǎo)航信號(hào)，從而提高原有導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度等各項(xiàng)性能。由于SBAS通過(guò)GEO衛(wèi)星在非常大的區(qū)域上空廣播修正信息，并能從相對(duì)較少的地面參考站獲得觀測(cè)誤差從而進(jìn)行誤差修正，因而更適合廣域增強(qiáng)。

3.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。目前，全球已經(jīng)建立起多個(gè)導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，主要分為星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）和地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）兩大類，如表 1.1 所示。由于 GPS 在全球占據(jù)著主導(dǎo)地位，現(xiàn)有的增強(qiáng)系統(tǒng)如美國(guó)的 WAAS 和日本的 MSAS 等均針對(duì) GPS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng);截至 2007年10月，該系統(tǒng)由遍布美國(guó)、具有精確的測(cè)量坐標(biāo)的38個(gè)廣域地面參考站（WRS， Wide-area Reference Station）和3個(gè)主控站（WMS， Wide-area Master Station）構(gòu)成地面網(wǎng)絡(luò)，由4個(gè)上行注入站、4顆地球同步衛(wèi)星和大量 WAAS 用戶接收機(jī)組成傳輸鏈路，覆蓋范圍包括整個(gè)美國(guó)大陸和阿拉斯加的大部分地區(qū)，部分地區(qū)實(shí)測(cè)定位精度為水平方向 1m，垂直方向 1.5m。 歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)（EGNOS）是由歐洲開(kāi)發(fā)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)，可以同時(shí)對(duì)GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行廣域增強(qiáng)。它和 WAAS 系統(tǒng)有著相似的原理，目的是提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、完好性和可用性。截至 2007年7月，EGNOS系統(tǒng)可以達(dá)到水平方向1.04m（95%）、垂直方向 1.56m（95%）的定位精度。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 徐周，GPS差分定位技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法的研究 [D].解放軍信息工程大學(xué)， 2006.

[2] 劉朋.LORA通信技術(shù)在差分GPS中的應(yīng)用研究[D].電子科技大學(xué)，2018.

[3] 夏熙梅.差分GPS定位技術(shù)及應(yīng)用 [J].現(xiàn)代情報(bào)，2002，3：99-100.

[4] 黃丁發(fā)，丁建偉等.差分GPS連續(xù)運(yùn)行參考站（網(wǎng)）建設(shè)研究 [J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，35（4）：375-378.

作者簡(jiǎn)介：李夢(mèng)真（1995），男，在讀研究生，成都理工大學(xué)，610000，生態(tài)環(huán)境遙感。