[導(dǎo)讀]全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem，GPS)是美國(guó)從上世紀(jì)70年代開始研制的全球性的衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。GPS由分布在六個(gè)軌道上的24顆通信衛(wèi)星組成。這些衛(wèi)星每天環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)兩次，相對(duì)赤道的傾斜角度約為55度。這24顆衛(wèi)星以高頻率(1500MHz范圍)連...
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是美國(guó)從上世紀(jì)70年代開始研制的全球性的衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。
GPS由分布在六個(gè)軌道上的24顆通信衛(wèi)星組成。這些衛(wèi)星每天環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)兩次，相對(duì)赤道的傾斜角度約為55度。這24顆衛(wèi)星以高頻率(1500MHz范圍)連續(xù)發(fā)送編碼位置和時(shí)間信息。
GPS地面接收機(jī)接收信號(hào)，使用編碼信息計(jì)算地球坐標(biāo)系統(tǒng)的位置。接收機(jī)通過(guò)計(jì)算從每個(gè)衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間來(lái)判斷位置。將時(shí)間乘于光速可得到接收機(jī)到每個(gè)衛(wèi)星的距離：距離=光速x 時(shí)間。時(shí)間可由GPS接收機(jī)里的精確碼匹配技術(shù)得到。每個(gè)衛(wèi)星的位置編碼在發(fā)射信號(hào)中。具有這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)能夠?qū)Φ厍蛏系奈恢眠M(jìn)行三維坐標(biāo)計(jì)算。
由于衛(wèi)星上安裝的是原子鐘，穩(wěn)定度很高，我們認(rèn)為這種鐘的時(shí)間與GPS時(shí)間吻合；接收機(jī)的時(shí)鐘是石英鐘，穩(wěn)定度一般，我們認(rèn)為它的時(shí)鐘時(shí)間與GPS時(shí)間存在時(shí)間同步誤差，并將這種誤差作為一個(gè)待定參數(shù)。這樣，對(duì)于每個(gè)地面點(diǎn)實(shí)際上需要求解就有4個(gè)待定參數(shù)，因此至少需要觀測(cè)4顆衛(wèi)星至地面點(diǎn)的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù)。差分（DGPS）就是把高精度的GPS接收機(jī)安裝在位置準(zhǔn)確測(cè)定的地點(diǎn)組成基站?；窘邮誈PS衛(wèi)星信號(hào)所測(cè)定的位置和本站已知位置相比較求得位置測(cè)定誤差或偽距測(cè)量誤差，并將這些誤差作為校正值向四周空間廣播?；靖浇腉PS用戶接收機(jī)收到來(lái)自基站的校正信號(hào)，修正自身的GPS測(cè)量值，從而大大提高定位精度。
GPS定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間等觀測(cè)值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還必須知道用戶鐘差。因此，要獲得地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須對(duì)4顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量。在這一定位過(guò)程中，存在著三部分誤差。一部分是對(duì)每一個(gè)用戶接收機(jī)所公有的，例如，衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差等；第二部分為不能由用戶測(cè)量或由校正模型來(lái)計(jì)算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。利用差分技術(shù)，第一部分誤差完全可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，其主要取決于基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)的距離，第三部分誤差則無(wú)法消除。根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)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、偽距差分和載波相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送修正數(shù)據(jù)，由用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，以獲得精確的定位結(jié)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。
這是一種最簡(jiǎn)單的差分方法，任何一種GPS接收機(jī)均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測(cè)4顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。由于存在著軌道誤差、時(shí)鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的，存在誤差?；鶞?zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對(duì)其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。最后得到的改正后的用戶坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)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。以上先決條件是基準(zhǔn)站和用戶站觀測(cè)同一組衛(wèi)星的情況。位置差分法適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在100km以內(nèi)的情況。
偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)。幾乎所有的商用差分GPS接收機(jī)均采用這種技術(shù)。國(guó)際海事無(wú)線電委員會(huì)推薦的RTCM SC-104也采用了這種技術(shù)。在基準(zhǔn)站上的接收機(jī)要求得它至可見衛(wèi)星的距離，并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的測(cè)量值加以比較。利用一個(gè)α-β濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸 給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來(lái)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，偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準(zhǔn)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(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有決定性影響。利用偽距差分方法，定位精度可達(dá)到亞米級(jí)。
載波相位差分技術(shù)又稱之為RTK技術(shù)（real time kinematic），是建立在及時(shí)處理兩個(gè)觀測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。載波相位差分技術(shù)能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈及時(shí)將其載波觀測(cè)值及基準(zhǔn)站坐標(biāo)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(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行及時(shí)處理，能及時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。實(shí)現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法與差分法。前者和偽距差分相同，基準(zhǔn)站把載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，之后求解坐標(biāo)。后者把基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶站進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。前者是準(zhǔn)RTK技術(shù)，后者為真正的RTK技術(shù)。
一般民用的GPS使用的是L1載波，頻率為1575.42MHz，在這個(gè)載波頻率上以調(diào)相方式加載了兩種不同的偽隨機(jī)噪聲碼：C/A碼和P碼，C/A碼是用于民用的測(cè)距碼，碼長(zhǎng)為1023個(gè)碼元，即1023次從0到1的跳動(dòng)，這1023個(gè)碼元每秒重復(fù)1000次，即1.023MHz。P碼是軍用碼，碼長(zhǎng)非常長(zhǎng)，碼率為10.23MHz。由于GPS接收機(jī)是通過(guò)對(duì)比碼元的跳動(dòng)來(lái)計(jì)算從衛(wèi)星到接收機(jī)的時(shí)間差，然后轉(zhuǎn)換成距離，因此P碼的精度是C/A碼的10倍，由于現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)計(jì)算碼元跳動(dòng)的時(shí)間精度是碼寬的百分之一，因此C/A碼的距離精度就是3m，P碼可以達(dá)到0.3m。接收機(jī)知道了自己和衛(wèi)星的距離，但這并不能計(jì)算出自己的位置，因?yàn)樗恢佬l(wèi)星在發(fā)射電波時(shí)的位置，因此在衛(wèi)星載波上還加載了一個(gè)50Hz的導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文的格式符合NMEA協(xié)議（NMEA協(xié)議是為了在不同的GPS導(dǎo)航設(shè)備之間建立的統(tǒng)一的BTCM標(biāo)準(zhǔn)，由NMEA制定的一套通訊協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議定義的語(yǔ)句非常多，但是常用的或者說(shuō)兼容性最廣的語(yǔ)句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。
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