差分GPS(differential GPS-DGPS,DGPS)是首先利用已知精确三維坐标的差分GPS基準台,求得僞距修正量或位置修正量,再将這個修正量實時或事後發送給使用者(GPS導航儀),對使用者的測量資料進行修正,以提高GPS定位精度。

圖是差分基站
分類
根據差分GPS基準站發送的資訊方式可将差分GPS定位分為三類,即:位置差分、僞距差分和相位差分。
差分GPS (DGPS)是在正常的GPS外附加(差分)修正信号,此改正信号改善了GPS的精度。
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改正數,由使用者站接收并對其測量結果進行改正,以獲得精确的定位結果。所不同的是,發送改正數的具體内容不一樣,其差分定位精度也不同。
位置差分原理
這是一種最簡單的差分方法,任何一種GPS接收機均可改裝群組成這種差分系統。
安裝在基準站上的GPS接收機觀測4顆衛星後便可進行三維定位,解算出基準站的坐标。由于存在着軌道誤差、時鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應以及其他誤差,解算出的坐标與基準站的已知坐标是不一樣的, 存在誤差。基準站利用資料鍊将此改正數發送出去,由使用者站接收,并且對其解算的使用者站坐标進行改正。
最後得到的改正後的使用者坐标已消去了基準站和使用者站的共同誤差,例如衛星軌道誤差、 SA影響、大氣影響等,提高了定位精度。以上先決條件是基準站和使用者站觀測同一組衛星的情況。位置差分法适用于使用者與基準站間距離在100km以内的情況。
僞距差分原理:
僞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。
在基準站上的接收機要求得它至可見衛星的距離,并将此計算出的距離與含有誤差的測量值 加以比較。利用一個α-β濾波器将此內插補點濾波并求出其偏差。然後将所有衛星的測距誤差傳輸給使用者,使用者利用此測距誤差來改正測量的僞距。最後,使用者利用改正後的僞距來解出本身的位置, 就可消去公共誤差,提高定位精度。
與位置差分相似,僞距差分能将兩站公共誤差抵消,但随着使用者到基準站距離的增加又 出現了系統誤差,這種誤差用任何差分法都是不能消除的。使用者和基準站之間的距離對精度有決定性影響。
載波相位差分原理
測地型接收機利用GPS衛星載波相位進行的靜态基線測量獲得了很高的精度(10-6~10-8)。但為了可靠地求解出相位模糊度,要求靜止觀測一兩個小時或更長時間。這樣就限制了在工程作業中的應用。于是探求快速測量的方法應運而生。例如,采用整周模糊度快速逼近技術(FARA)使基線觀測 時間縮短到5分鐘,采用準動态(stop and go),往返重複設站(re-occupation)和動态(kinematic)來提高GPS作業效率。這些技術的應用對推動精密GPS測量起了促進作用。但是,上述這些作業方式都是事後進行資料處理, 不能實時送出成果和實時評定成果品質,很難避免出現事後檢查不合格造成的返工現象。
差分GPS的原理
差分GPS的出現,能實時給定載體的位置,精度為米級,滿足了引航、水下測量等工程的要求。位置差分、僞距差分、 僞距差分相位平滑等技術已成功地用于各種作業中。随之而來的是更加精密的測量技術— 載波相位差分技術。
載波相位差分技術又稱為RTK技術(real time kinematic),是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的。它能實時提供觀測點的三維坐标,并達到厘米級的高精度。
與僞距差分原理相同,由基準站通過資料鍊實時将其載波觀測量及站坐标資訊一同傳送給使用者站。使用者站接收GPS衛星的載波相位 與來自基準站的載波相位,并組成相位差分觀測值進行實時處理,能實時給出厘米級的定位結果。
實作載波相位差分GPS的方法分為兩類:修正法和差分法。前者與僞距差分相同,基準站将載波相位修正量發送給使用者站,以改正其載波相位,然後求解坐标。後者将基準站采集的載波相位發送給 使用者台進行求差解算坐标。前者為準RTK技術,後者為真正的RTK技術。
算法編輯
GPS定位是利用一組衛星的僞距、星曆、衛星發射時間等觀測量和使用者鐘差來實作的。要獲得地面的三維坐标,必須對至少4顆衛星進行測量。在這一定位過程中,存在3部分誤差:
第一部分誤差是由衛星鐘誤差、星曆誤差、電離層誤差、對流層誤差等引起的;
第二部分是由傳播延遲導緻的誤差;
第三部分為各使用者接收機固有的誤差,由内部噪聲、通道延遲、多路徑效應等原因造成。
利用差分技術,第一部分誤差可以完全消除;第二部分誤差大部分可以消除,消除程度主要取決于基準接收機和使用者接收機的距離;第三部分誤差則無法消除。
下面,我們主要介紹消除由于電離層延遲和對流層延遲引起的誤差的算法。在算法中使用的時間系統為GPS時,坐标系統為WGS-84坐标系。
1.消除電離層誤差的算法
我們主要通過電離層網格延遲算法來獲得實際的電離層延遲值,以消除電離層誤差。具體過程如下:解算星曆,得出衛星位置→求電離層穿透點位置→求對應網格點→求網格4個頂點的電離層延遲改正數→内插獲得穿透點垂直延遲改正數→求穿透點的實際延遲值。
2.衛星位置的計算
解算出星曆資料後,加入星曆修正和差分資訊,便可計算出衛星位置。
從GPS OEM闆接收到的是二進制編碼的星曆資料流,必須按照本文前面部分列出的資料結構解算星曆資料,再依據IEEE-754标準将其轉換為十進制編碼的資料。在這裡,需要解算的參數有:軌道長半軸的平方根(sqrta)、平近點角改正(dn)、星曆表基準時間(toe)、toe時的平近點角(m0)、偏心率(e)、近地點角距(w)、衛星軌道攝動修正參數(cus cuc cis cic crs crc)、軌道傾角(i0)、升交點赤經(omg0)、升交點赤經變化率(odot)。