GPS差分协议分析

2011-10-26河南省煤田地质局物探测量队樊之旭

河南科技 2011年11期

河南省煤田地质局物探测量队樊之旭

GPS差分协议分析

河南省煤田地质局物探测量队樊之旭

一、GPS系统的组成及发展

GPS系统是由美国国防部研制并实施的一项全天候、全球、星基的实时导航定位和授时系统。GPS系统主要由3个部分组成：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。空间星座部分由24颗高度大约为20 000km、分布在6个轨道面上的卫星组成。地面监控部分主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。GPS卫星以L波段频率向地面发射调制伪随机噪声码和广播星历的载波信号，用户从接收的GPS信号中可以得到足够的信息来进行导航定位和授时。近年来，随着GPS仪器设备的不断更新、成本的下降和定位算法的完善，GPS技术在众多领域得到了广泛应用。

二、GPS定位技术的原理

1.GPS定位技术分类。GPS定位通过快速测定卫星和测站之间的距离来实现。GPS技术诞生之日起，人们便开始不断提高GPS的定位精度和拓展GPS的应用领域。GPS定位包括动态绝对定位和静态绝对定位2种，观测量是所测卫星到观测站的伪距，相应的定位方法通常称为伪距法。根据观测量性质的不同，伪距分为测码伪距和测相伪距。伪距的测量精度受众多误差因素的影响，GPS观测值包含有系统误差和随机误差。尽管一些系统误差可以通过模型加以削弱，并且在2000年5月2日美国政府就已经开始使用SA政策，但其残差仍然是不容忽略的，因此，目前开展高精度的单点定位仍有一定难度。

2.差分GPS技术。为了提高GPS的实时定位精度，人们开始做相对定位的研究，即差分GPS（Differential GPS）技术。差分GPS技术的出现，提高了标准GPS定位的精度，目前已广泛应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学、气象学和精密导航等领域。差分GPS技术实际上是在1个测站对2个目标的观测量、2个测站对1个目标的观测量或者1个测站对1个目标的2次观测量之间进行求差，其目的是消除公共项，包括公共误差和公共参数。差分GPS定位系统由基准站、数据链和多个流动站组成，基准站的主要工作是连续接收GPS的导航信号，将测得的位置和距离的数据与已知的位置和距离的数据进行比较并确定误差，形成差分改正信息，得出准确的改正值，利用标准协议将差分改正信息发送给流动站，用以改正用户的定位结果。

3.流动站接收机。流动站接收机不仅接收GPS卫星信号，同时还接收基准站发送来的信号，它们之间的纽带就是数据链。具体说，基准站与流动站之间有4种方法实现传输：基准站发播伪距改正数，在流动站进行差分处理；基准站发播位置改正数，在流动站进行差分处理；用户传送粗测伪距值到基准站，在基准站进行差分处理；用户传送未改正的位置数据到基准站，在基准站进行差分处理。

三、差分GPS原理

根据差分GPS基准站发送信息的方式可将差分GPS定位分为3类：位置差分、伪距差分和相位差分。

1.位置差分的原理。位置差分是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装或组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS接收机在观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标也存在误差。基准站利用数据链将改正信息发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。

2.伪距差分的原理。伪距差分目前用途最为广泛，几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。在基准站上的接收机要求计算出它到可见卫星的距离，把计算出的距离与含有误差的测量值加以比较，利用一个滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后，将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距解算出本身的位置，消去公共误差，提高定位精度。

3.载波相位差分的原理。载波相位差分技术又称为RTK技术（real time kinematic），它建立在实时处理2个测站的载波相位基础上，能够实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。

四、GPS差分协议以及不同协议间的比较

1.GPS差分协议。数据链由通讯协议和硬件设备组成，硬件设备包括调制解调器和电台等，其中最关键的是所使用的差分协议。任何信息的产生、存储和交换都有一定的存在方式，这种存在方式就是协议。为了便于信息的交流，要求有一个统一的协议，这样就产生了标准协议。并且，差分GPS系统中的信息在全球传播也需要标准协议来支持。

2.GPS差分协议组成。GPS差分协议主要包括：由海事无线电技术委员会（RTCM）104专门委员会（SC-104）制定的RTCM SC-104差分协议，航空无线电技术委员会（RTCA）159专门委员会（SC-159）制定的RTCM差分协议，Trimble（天宝）公司制定的CMR差分协议。目前商用较多的RTCM2.X、RTCM3.0、CMR+等协议都属于以上3种协议的升级版本。国产商用GPS的广播格式（差分协议）在起步阶段基本都使用Trimble（天宝）公司的CMR差分协议，随着技术的进步以及硬件的升级换代，逐渐出现了支持多种差分协议的情况。以国产的华测GPS接收机为例，其所支持的差分协议就有标准CMR、CMR+、RTCM2.X、RTCM2. X_NOCR、标准RTCA、RTCM3.0等，在不同的情况下，硬件可以实现在不同差分协议之间的转换。

3.RTCM差分协议。为了在全球范围推广应用差分GPS业务，国际海运事业无线电技术委员会（RTCM）于1983年11月设立了SC-104专门委员会，来论证用于提供差分GPS业务的各种方法，制定标准差分协议，并于1985年发表了Ver1.0版本的建议文件。经过多年的不断升级，RTCM的Ver3.0版本也适时推出，增加了用于传输网络差分改正数的电文，克服了前几代版本的不足，特别是针对精度问题和数据传输量问题进行了改进。RTCM差分协议的每一种新版本都对数据协议有了新的需求，提高了差分改正数的抗差性能，增大了可用信息量，提高了定位精度。RTCM的Ver3.0是目前最稳定的版本。

4.CMR差分协议。鉴于RTCM协议的电文格式已经固定，在相同条件下发送的数据量也是相同的，为了减少数据量传输要求有一种新的差分协议，Trimble（天宝）公司于1993年提出了一种新的GPS差分协议——CMR。CMR格式的电文码发送率只有RTCM的一半，RTCM标准协议要求带宽必须高于4 800b/s，而CMR使用2 400b/s就足够了。再加上Trimble（天宝）公司在行业中所处的地位，因此CMR协议迅速得到推广和应用。

5.LADGPS系统和WAAS系统。为了满足空中用户对GPS应用提出的要求，美国联邦航空局FAA开发了LADGPS系统和WAAS系统。随之也相应产生了RTCA SC-159 GPS差分协议，用以传输差分改正数。其第1类专用协议于1993年4月公布，基本与Trimble（天宝）的CMR协议同时推出。RTCA对系统的软件、硬件有较强的适应性，内容也比较丰富，且属于高精度的广域差分系统，可以使用户的定位精度不受距离的限制。

6.RTK技术应用。RTCM和CMR都能应用于RTK技术，特别是CMR，Trimble（天宝）公司制定CMR的目的就是为了更好地应用于RTK技术。2种差分协议都发送给用户包含了原始观测值信息的电文，故用户的定位计算方法不会因使用的协议的不同而不相同，但可能会根据不同的厂家而采用不同的定位方法。二者都属于局域差分系统，定位的精度和流动站与基准站之间的距离有关，距离越近精度越高。