GPS定位中的差分定位技术

一、背景：

　　之所以写这篇文章是前两天雷达要去外场测试性能，需要提前在测试车上装GPS。当时大家只知道怎么装却不懂得GPS定位的原理。于是决定利用周末学习一下相关知识。以下内容是参照大佬们的知识总结的，会在文章最下方给出文章来源。如有侵权，请在下面评论中联系删除。本文不对公式进行推导，只说一些差分知识。

二、为什么要采用差分GPS技术

　　首先我们先看看GPS定位原理：测量出已知位置的卫星到地面GPS接收器之间的距离，然后接收器通过与至少4颗卫星通讯，计算与这些卫星间的距离，就能确定其在地球上的具体位置。但这种方法定位的准确度不高，对于大家来说最明显的一点就是手机导航时会出现与实际位置偏差的情况（在道路的一侧结果手机定位在道路的另一侧的情况）。而造成这一现象的原因主要有以下几种误差：

　　1、大气层影响：大气层中的电离层和对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，从而让GPS信号产生延迟。

 　　2、卫星星历误差：由于卫星运行中受到复杂的外力作用，而地面控制站和接收终端无法测定和掌握其规律，从而无法消除产生的误差。

　　3、卫星钟差：卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别。卫星上使用铯原子钟，所以两者的时间也许不同步，就像你的手表跟你家客厅挂钟的时间不同步一样。

　　4、多路径效应：GPS信号也有可能是在不同的障碍物上反射后才被接收到，这就是所谓的“多路径效应”。 

总体来说GPS定位测量中的三类误差：

　　1、接收机的公有误差：卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流程误差；

　　2、接收机自身存在的误差：内部噪声、通道延迟、多路径效应；

　　3、基准站接收机与流动站接收机之间的传播延迟误差；

　　以上三种类型的误差是GPS测量当中的三类主要误差，其中第一类接收机公有误差可以通过差分技术完全予以消除。第二类型的误差是硬件设备的内在误差，无法消除。第三类型的误差直接取决于移动站与基站之间的距离。
　　综上所述，之所以用差分GPS定位方法就是因为GPS定位的精度较差，无法满足需求。

三、差分定位

　　1、差分是什么

　　差分就是把GPS的误差想方设法分离出。在已知位置的参考点上装上移动基站，就能知道定位信号的偏差。将这个偏差发送给需要定位的移动站，移动站就可以获得更精准的位置信息。

　　2、工作原理

　　目前单GPS系统提供的定位精度是优于25米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

　　3、差分的优点

　　　　(1)消除卫星钟钟差

　　　　(2)消除卫星星历误差

　　　　(3)消除电离层延迟

　　　　(4)消除对流层延迟

　　　　(5)将接收机钟钟差做为未知数求出以上措施将有效地提高GPS定位精度，一般而言，以坐标方式差分可达±5m的精度，以伪距方式可达±（1～3）m级精度，以载波相位方式可达±（1～3）cm的精度，高程精度为平面精度的2～3倍。

　　4、差分分类
　　差分GPS分为两大类：伪距差分和载波相位差分。

　　  1、伪距差分原理

　　这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的信标差分"。

　　（1）伪距差分校正量：（参照差分GPS原理图能够更加清晰）

　　这一小节以基于伪距测量值的差分绝对定位为例，介绍基准站产生伪距差分校正量的算法和用户接收机利用差分校准量的操作.

　　基准站r到卫星i的几何距离r_r⁽ⁱ⁾为7.1, 伪距测量值 ρ_r⁽ⁱ⁾ 可以表达为7.2:

　　因为差分运算会涉及多个接收机和多颗卫星，所以将继续采用如下的一个上下标规则，用圆括号内的上标代表卫星编号，而用下标，代表不同的接收机。

　　因为基准站r的位置是已知的，并且卫星位置又可以根据星历计算出来，所以任一时刻基准站r至卫星i的几何距离 r_r⁽ⁱ⁾ 能被精确的计算出来。如果计算得到的真实几何距离为 r_r(i) ，伪距测量值为 ρ_r⁽ⁱ⁾ ,那么它们两者之间的差异应当就是伪距测量的误差，而这个测量误差值正是差分系统的基准站所要播发的关于卫星i的伪距离差分校正量 ρ_corr ⁽ⁱ⁾ ，即

　　可见，差分校正量 ρ_corr ⁽ⁱ⁾ 实际上是以下多个测量误差和偏差量之和：

　　依据7.3计算出伪距差分校正量 ρ_corr ⁽ⁱ⁾ 之后，基准站将 ρ_corr ⁽ⁱ⁾ 播发给位于其差分服务范围内的所有接收机。然后接收机根据这个校正量进行补偿，来减小误差。

　　2．载波相位差分原理
　　载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。

RTK测量原理图

四、差分系统构成
　　1、基准站（坐标已知，固定不动，视野开阔，远离大水体，远离电磁波天线）
  　　  （1）GPS接收机主机
　　    （2）GPS接收机电源
　　    （3）GPS天线
　　    （4）GPS控制记录器
　　    （5）GPS接插件及对中杆（基准站含支架）
　　    （6）GPS集装箱
　　    （7）若为实时差分，还需通讯电台

　　2、移动站（可处于任意可接收四颗星的位置，其配置同基准站，但为不含支架）
五、参考文章：

1、GPS 差分定位和精密定位：这篇文章有较为详细的推导。若是想要深究可以看一下。

2、RTK和GPS定位的区别在哪里？

3、GNSS原理及技术（三）——差分定位技术

4、差分GPS原理