1.GPS與DGPS概述

2.GPS定位原理

3.GPS定位誤差

4.DGPS定位原理

5.位置差分

6.偽距差分RTD

7.載波相位差分RTK

1.GPS與DGPS概述

我們在陌生的地方迷路了，通常會打開手機上的地圖軟件來看一下自己在哪、目的地在哪、該怎么走。自動駕駛汽車要想自己跑起來，首先也要知道自己在哪。來確定自己在哪的過程通常就會用到GPS這項技術，今天我們就來學習一下GPS、DGPS的工作原理。

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)，是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎的高精度無線電導航的定位系統(tǒng)，它在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。

世界上正在全球范圍運行服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)一共有四個：美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo）和中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）。其中，全球定位系統(tǒng)（GPS）發(fā)展最早，成熟度最高，商業(yè)應用開發(fā)最深入。

差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Position System，簡稱DGPS)，是在GPS的基礎上利用差分技術使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度。DGPS借助了地面上已知坐標的GPS接收器基站，轉發(fā)GPS差分信息。車輛同時接收GPS衛(wèi)星和GPS差分基站的信號，得出當前的自身高精度坐標。

2.GPS定位原理

接收設備測得與三顆衛(wèi)星的距離分別為 R1、R2、R3，以各衛(wèi)星位置為球心測量距離為半徑，繪制三個球，其交點即為接收設備的位置。根據(jù)最小二乘算法計算接收設備的估計位置，假設接收設備的坐標為 (x，y，z)，N顆衛(wèi)星的位置坐標為 (xi，yi，zi)，由幾何關系可得：

3個球面相交成一個點，三個方程組、三個未知數(shù)，3個距離段就可以確定接收設備的緯度、經(jīng)度和高度坐標。

在實際應用中，衛(wèi)星與接收設備之間的距離R是通過信號的傳播時間差Δt乘以信號的傳播速度v得到的。其中，信號的傳播速度v接近于真空中的光速即C=299792.458km/s （一般取300000km/s），量值非常大。因此，這就要求對時間差Δt進行非常準確的測定，如果稍有偏差，那么測得的衛(wèi)地距離就會謬以千里。

而時間差Δt是通過將衛(wèi)星處測得的信號發(fā)射時間ts與接收機處測得的信號達到的時間tr求差得到的。其中，衛(wèi)星上安置的原子鐘，穩(wěn)定度很高，我們認為這種鐘的時間與GPS時間吻合。接收機處的時鐘是石英鐘，穩(wěn)定度一般，我們認為它的時鐘時間與GPS時間存在時間同步誤差，并將這種誤差作為一個待定參數(shù)。這樣，對于每個地面點實際上需要求解的就有4個待定參數(shù)，因此至少需要觀測4顆衛(wèi)星(為保證結果獨一，4顆衛(wèi)星不能在同一平面)至地面點的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù)。

求解未知數(shù)：（x，y，z，t）。x，y，z用于定位，t用于定時。

3.GPS定位誤差

在GPS定位過程中，存在著以下三部分誤差。

第一部分是對每一個接收機所公有的（完全可以消除），例如：SA誤差（美國軍方為了限制非特許用戶利用GPS進行高精度點定位而采用的降低系統(tǒng)精度的政策，簡稱SA政策，它包括降低廣播星歷精度的ε技術和在衛(wèi)星基本頻率上附加一隨機抖動的δ技術）、電離層延遲、大氣層延遲、星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差等。

第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差（大部分可以消除）。

第三部分為各用戶接收機所固有的誤差（無法消除），例如：內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應等。

因為存在著上述三種誤差，GPS定位精度只能保證在10米以內(nèi)，這個精度可以滿足人們?nèi)粘５氖褂?，但是在自動駕駛中是遠遠不夠的。自動駕駛需要厘米級的高精度定位，這時候就需要用到DGPS定位技術來消去公共的誤差源 ——衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、大氣延時、多路徑效應、SA等。

4.DGPS定位原理

在位置已精確測定的已知點上配備一臺 GPS 接收機作為基準站并和用戶同時進行 GPS 觀測，將得到的單點定位的結果與基準站坐標比較，求解出實時差分修正值，以廣播或數(shù)據(jù)鏈傳輸方式，將差分修正值傳送至附近 GPS用戶，以修正其GPS定位解，提高其局部范圍內(nèi)用戶的定位精度。

DGPS分類：根據(jù)差分GPS基準站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分、偽距差分（RTD）和載波相位差分（RTK）。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準站發(fā)送修正數(shù)據(jù)，由用戶站接收并對其測量結果進行修正，以獲得精確的定位結果。所不同的是，發(fā)送修正數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。

DGPS基礎：利用差分定位方法可以將用戶的實時單點定位精度提高到米級。 能夠應用這種方法的基礎是: 在同一地區(qū)內(nèi)，影響 GPS 實時單點定位精度的因素，如大氣層延遲誤差、衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差等，對基準站及其鄰近用戶的影響是相同或相近的。

5.位置差分

位置差分法是一種最簡單的差分方法，任何一種GPS接收機均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。它利用安置在基準站上的基準接收機，對4顆及以上的衛(wèi)星進行觀測，解出基準站的坐標(X1，Y1，Z1)，再根據(jù)基準站的已知精確坐標(X0，Y0，Z0)求解基準接收機的定位誤差改正數(shù)(△X，△Y，△Z)。

基準站利用數(shù)據(jù)鏈將其發(fā)播給用戶接收機，用戶接收機利用該改正數(shù)修正用戶接收機的定位結果。

最后得到的改正后的用戶坐標已消去了基準站和用戶站的共同誤差，例如衛(wèi)星軌道誤差、 SA影響、大氣影響等，提高了定位精度。

為了提高定位精度，用戶接收機進行位置修正吋，需將傳送時延因素考慮進去：位置差分法的優(yōu)點是傳輸改正數(shù)少、計算方法簡單、任何一種衛(wèi)星導航接收機均可改裝成差分定位系統(tǒng)，不足是要求基準接收機與用戶接收機必須同步觀測同一組衛(wèi)星、差分精度隨基準接收機到用戶接收機間的距離的增加而降低以及其差分精度低于偽距差分等。位置差分法可以將精度提高到米級，適用于用戶與基準站間距離在100km以內(nèi)的情況。

6.偽距差分RTD

偽距差分（Real Time Differential RTD）：利用基準接收機的已知坐標解算基準接收機至各導航衛(wèi)星間的距離。并將其與含有誤差的偽距測量值進行比較，然后通過濾波算法等數(shù)據(jù)處理算法解算出各衛(wèi)星的偽距誤差，再將所有衛(wèi)星的偽距誤差發(fā)播給用戶接收機。用戶接收機利用此偽距誤差來改正測量的偽距，進而利用改正后的偽距求解自身的三維坐標， 就可消去公共誤差，提高定位精度。

偽距差分是目前用途最廣的一種技術。幾乎所有的商用差分GPS接收機均采用這種技術。國際海事無線電委員會推薦的RTCM SC-104也采用了這種技術。

偽距差分的優(yōu)點：基準接收機提供所有衛(wèi)星的偽距誤差，用戶接收機觀測任意4顆以上導航衛(wèi)星就可完成精確定位，無需進行坐標變換。

偽距差分的缺點：與位置差分相似，偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種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精度有決定性影響。利用偽距差分方法，定位精度可達到亞米級。

6.載波相位差分RTK

載波相位差分技術又稱之為RTK技術（Real Time Kinematic）:與偽距差分原理相同，由基準站通過數(shù)據(jù)鏈及時將其載波觀測值及基準站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行及時處理，能及時給出厘米級的定位結果。

什么是載波？

載波，根據(jù)名字就能大致了解它的含義，載是運載的意思，波就是電波的意思，當然這里要運載的是衛(wèi)星的信號，合在一起就是：可運載調(diào)制信號的高頻率震蕩波，稱之為載波。

 以GPS系統(tǒng)為例，GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號由載波、測距碼和導航電文三部分組成。載波和測距碼用來進行距離測量，導航電文包含了衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)。

為什么偽距測量比載波相位的精度低？

因為偽距測量是以測距碼作為量測信號的，而采用碼相關法時，測量精度是碼元寬度的百分之一，由于測距碼的碼元寬度較大（精碼碼寬為30m，C/A碼碼寬為300m），所以導致測量精度不高，只能做到30~300cm。

碼寬計算:碼寬=光速÷碼頻率，光速為300000000m/s，C/A碼的碼頻率為1.023Mhz，碼寬為300m；精碼的碼頻率為10.23Mhz，碼寬為30m。

而載波的波長則要短上很多( 19.0cm/24.4cm/25.5cm) ,把載波當做測距信號進行相位測量，就能達到很高的精度。

載波作為運載衛(wèi)星信號的載體（苦力勞動），而測距碼也包含在衛(wèi)星信號里，說明載波是給測距碼當運輸工具的，作為運輸工具的載波的精度要比測距碼還要高，真的是英吹思婷。

使用載波時的缺點：會出現(xiàn)周跳與整周模糊度的問題。周跳，是因為由于衛(wèi)星信號的失鎖而導致的整周計數(shù)的跳變或中斷，導致觀測值不精確。整周模糊度是因為載波是一個沒有任何標記的余弦波，接收機內(nèi)的鑒相器只能測定不足一周的部分，對產(chǎn)生的整周數(shù)不確定。這個問題就需要考驗看各廠商的測量軟件對整周技術的計算能力了。

衛(wèi)星到地球的距離=載波的波長λ*相位差，載波相位測量實際就是以波長λ作為長度單位，以載波作為一把“尺子”來測量衛(wèi)星至接收機間的距離。

RTK是一種利用GPS載波相位觀測值進行實時動態(tài)相對定位的技術，關鍵詞：實時、動態(tài)和相對定位。

傳統(tǒng)RTK由2臺GPS接收機（一臺作為基準站一臺或多臺作為移動站）、數(shù)據(jù)通信鏈（電臺等）和測量軟件組成。GPS誤差會隨參考站和移動站距離的增加而逐漸失去線性，在較長距離下(單頻>10km，雙頻>30km)，經(jīng)過差分處理后的用戶數(shù)據(jù)仍然含有很大的觀測誤差，從而導致定位精度的降低和無法解算載波相位的整周模糊。

在20世紀90年代中期，人們提出了網(wǎng)絡RTK技術。通過多個參考站組成的GPS網(wǎng)絡來估計一個地區(qū)的GPS誤差模型，并為網(wǎng)絡覆蓋地區(qū)的用戶提供校正數(shù)據(jù)，用一個虛擬參考站的數(shù)據(jù)，為用戶提供距離自己位置較近的某個參考網(wǎng)格的校正數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)絡RTK技術又被稱為虛擬參考站技術(Virtual Reference)。

近些年隨著技術的發(fā)展，RTK技術早已由傳統(tǒng)的1+1或1+2發(fā)展到了廣域差分系統(tǒng)WADGPS，有些城市建立起CORS系統(tǒng)，有的公司也自己建立了CORS系統(tǒng)，例如中國移動CORS、千尋CORS，這就大大提高了RTK的測量范圍，解決了傳統(tǒng)RTK距離限制的問題。

連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（Continuously Operating Reference Stations CORS）：是利用多基站網(wǎng)絡RTK技術建立的連續(xù)運行（衛(wèi)星定位服務）參考站系統(tǒng)，由基準站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應用系統(tǒng)五個部分組成，各基準站與監(jiān)控分析中心間通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體，形成專用網(wǎng)絡。

CORS的優(yōu)勢：

1）改進了初始化時間、擴大了有效工作的范圍；

2）采用連續(xù)基站，用戶隨時可以觀測，使用方便，提高了工作效率；

3）擁有完善的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地消除系統(tǒng)誤差和周跳，增強差分作業(yè)的可靠性；

4）用戶不需架設參考站，真正實現(xiàn)單機作業(yè)，減少了費用；

5）使用固定可靠的數(shù)據(jù)鏈通訊方式，減少了噪聲干擾；

6）提供遠程INTERNET服務，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享；

7）擴大了GPS在動態(tài)領域的應用范圍，更有利于車輛、飛機和船舶的精密導航；

8）為建設數(shù)字化城市提供了新的契機。