GPS差分定位方法研究及其应用

张 锐，周 崟，李庚基，白 鹏

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

GPS差分定位方法研究及其应用

张 锐，周 崟，李庚基，白 鹏

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

从全球定位系统(GPS)发明至今，在许多领域得到了应用。怎样进行迅速以及精准的定位始终成为工程领域研究的趋势。本文通过分析了不同的差分定位方法，提出了运用单基准站来进行伪距差分定位的方式。经过推算，应用伪距差分定位能够显著减少接收机接收信号的公共误差，从而增强了定位精度。

定位系统；差分定位；定位精度

从全球定位系统发明至今，其在导航、定位领域得到了广泛的应用，不少领域因为GPS的问世进行了重大的变化。GPS拥有精度高、全天候、覆盖广、效率高、自动化等突出的原因，无线电以及天文导航等传统的定位导航技术已经被卫星导航技术慢慢代替，卫星导航技术已经变成普遍应用的导航定位技术，而且在精准性、实时性、全天候等因素方面得到了很大的进步[1]。现在逐渐随着GPS卫星的不断成熟以及SA政策的消除，GPS的定位精准度取得了较大方面的提升，原来的单点定位在100 m上下，目前提高至15 m上下，对比拥有不同种类专利算法的GPS接收机，它的单点定位精确性能够到达2～5 m(CEP)。

1 差分定位分析

差分GPS的基本工作原理是依据卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层误差以及对流层延迟所拥有的空间以及时间的同一性，可以理解为在一样的时间、在一样的区间范围里的不同种类的接收机中上面的误差是一样的。依据差分分析的数据类型的不同，差分定位能够分为位置差分、伪距差分、载波相位差分以及伪距差分。因为GPS普遍定位精准度不能匹配实时的米级定位运用，虽然是在取消了SA政策的定位精准度是30 m[2]，所以差分GPS技术得到了普遍的应用。

2 伪距差分算法

当前使用最普遍的一种差分GPS技术是伪距差分技术。它的工作原理如下所示，基准站R上的基准接收机测量的第j颗GPS卫星的伪距P为：

(1)

站星的实际距离能够从基准站得知的坐标以及接收到的可见GPS卫星的星历精确的推算出，在使用基准站GPS接收机算出的包含有不同种类的误差的伪距，来实行数据的研究处理。那么基准站发送给用户的伪距改正值是：

(2)

相比于动态接收机k来说，动态的接收机能够测量到第j颗卫星的伪距：

(3)

把伪距的改正值代到上面的公式能够得出：

(4)

如果GPS差分定位的站与站之间的距离小于100 km时，就能够相似的得到：

(5)

(6)

其中d=C(dTrr-dTkr)是接收机的误差所造成的距离误差，Xj,Yj,Zj是第j颗卫星的三维位置，Xk，Yk，Zk是动态使用者的接收机的三维位置。如果使用者的接收机仅仅和基准站的接收机一起观察测试到的4颗卫星能够列出来方程组，进一步可以将使用者的三维坐标以及接收机钟差所造成的距离误差计算出来，可以把它进行线性化，那么能够把动态使用者的三维位置来计算出来：

[ΔXk(t)ΔYk(t)ΔZk(t)d(t)]T=A-(t)B(t) .

(7)

其中ΔXk(t)，ΔYk(t)，ΔZk(t)是解算出来的伪距正值，那么使用者的接收机的三维位置是：

(8)

该处的Xk0，Yk0，Zk0为用户接收机的初始位置的坐标。

使用者接收机接收到的伪距修正值是：

(9)

Xr，Yr，Zr是在测时间的基准站接收机的三维坐标。

有一些因素会影响到伪距测量，其中包含有：卫星钟差接收机钟差和星历偏差、电离层时延偏差、对流层时延偏差，以上的偏差都包含于传播延迟偏差。从伪距差分原理能够得出：1) 伪距差分能够积极的消除传播延迟误差；2) 相比于固有偏差来说，不能得到积极的改变[3]。

在基线长度是40 km的伪距差分定位的系统中，它的定位精准性为1.5 m[4]，在同样的外界条件下，载波相位差分是50 cm。覆盖性广阔，精确性是1 m，稳定性非常高是广域差分的基本特征，缺点是它的整体运行的成本比较高[5]。

局域差分当中的单基准站差分GPS，因为它的结构和算法比较容易并且它的技术难度比较小，被普遍地应用于部分要求进行差分定位的工程使用的范围。通过上面可以知道，伪距差分技术相比于使用者来说是一类能够在经济，以及工作效能上，出色优秀的定位技术，而且在目前的市场上许多的接收机能够展示这种服务[6]。

3 总结和展望

本文介绍了差分定位的分类以及差分定位的原理，着重对于伪距差分定位的原理实行了比较细致推算，依据局域差分中的伪距差分为精确性是1.5 m，可以满足车载GPS接收机定位的要求，而且几乎被许多的商用差分GPS接收机能够支持的特征，确定伪距差分GPS定位是当前使用最普遍的差分GPS技术。

[1] 刘大杰.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海：同济大学出版社，1996.

[2] 陈力，胡松杰.SA取消后GPS的导航定位精度[J].飞行器测控报,2000(4):74-79.

[3] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2007：16-38,55-65,349-381.

[4] 李超林，刁祥瑞.全球卫星定位系统在水采船上的应用[J].石油化工自动化，2005(4)：31-33.

[5] 郑冲，吴杰，周伯昭，等.卫星位置偏差对双差与GIS组合定位的影响及组合定位试验[J].空间科学学报，2005(2)：138-142.

[6] 张威.GSM交换网络维护与优化[M].北京：人民邮电出版社，2005：27-394.

Research and Application of GPS Differential Positioning Method

Zhang Rui, Zhou Yin, Li Gengji, Bai Peng

(ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

The global positioning system (GPS) is widely used in various fields. How to make a quick and accurate positioning is always a hotspot in research of engineering application. Through the analysis of several differential positioning methods, this paper presents a method of pseudo range differential positioning using single reference station. By calculation, the using of pseudo range differential positioning can effectively eliminate the public received error for signal receiver, improve the positioning accuracy.

positioning system; differential positioning; positioning accuracy

2016-11-21

张 锐(1987- )，男，山西吕梁人，硕士研究生，研究方向：动态测试与智能仪器。

1674- 4578(2017)01- 0056- 02

P228.4

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